PCM与液体协同冷却的电池组热仿真研究

2021-11-09王印霜邹得球贺瑞军

电源技术 2021年10期

王印霜，邹得球，贺瑞军，马群

(宁波大学海运学院，浙江宁波315211)

新能源汽车(NEV)与传统燃油汽车相比，可以减少尾气排放、降低燃油消耗[1]。它发展的主要技术方向是纯电动汽车(EV)。2019年，新能源汽车产销分别完成124.2 万辆和120.6 万辆。其中，纯电动汽车产销分别完成102 万辆和97.2万辆。

锂离子电池电压高、能量密度高、自放电率低、寿命长。锂离子电池组是纯电动汽车主流供能装置[2]。锂离子电池的性能受温度影响很大[3]。电池充放电过程中会产生热量使得电池温度升高。当电池温度持续升高且热量无法及时散失时会影响电池的性能，甚至会引起安全问题[4]。

单体电池之间性能(容量、内部电阻和自放电率)的差异在使用过程中会加剧和扩大。不一致性加大会导致电池性能下降、安全性变差[5]。因此，有效的热管理(调控电池温度和温差)是实现电池安全可靠工作的重要技术之一。

电池组传统热管理方式有空冷、液冷和相变材料(PCM)冷却[6]。

空气冷却技术研究主要集中在冷却介质出入口位置设置、电池间距选择、电池排列方式选择和空气流量大小等对冷却效果的影响方面。比如，Wei 等[7]通过毛细管效应、Yang等[8]通过喷水蒸发对空气进行预冷来研究电池组的冷却效果。以空气为介质的热管理系统设计简单，使用安全可靠。但是，空气热容小、热导率小，这导致冷却效果不佳。

液相冷却技术研究主要集中在冷却通道截面形状优化、通道分布形式、冷却液流量和温度等参数选择、电池与通道的接触面积设计等对冷却效果的影响方面[9-18]。液冷是一种高效快速冷却方式，但冷却时易导致电池组存在较大温差现象[19]。

纯相变材料冷却技术研究集中在复合相变材料制备方面。相变材料在冷却过程中需要气液相转化，存在泄露的可能。单一的相变材料导热系数低，热传导时热阻大。所以，研究者把相变材料改性和复合材料开发作为重点。这类复合材料主要包括石蜡/气相二氧化硅、石蜡/膨胀石墨、石蜡/切割铜纤维烧结骨架、石蜡/泡沫铜、聚乙二醇/铝丝网板、石蜡/高岭土/膨胀石墨、石蜡/石墨烯/碳纳米管等[20-25]。PCM 冷却是被动冷却方式，当电池组以高倍率放电、高温度环境下工作时，冷却效果难以达到最佳温度[26]。

两种或两种以上冷却方式组合叠加是动力电池热管理技术重点研究内容，采用混合冷却方式的热管理系统能进一步降低最高温度并改善温度均匀性。比如，有研究者将PCM和风冷(空冷)、PCM 和液冷相结合用于热管理[27-38]。

本文以PCM 和液冷相结合方式热管理系统为对象，利用CFD 数值方法，分析冷却通道结构、冷却液流速、入口处液体温度、通道壁厚和热导率对电池组冷却效果的影响。

1 数值求解和模型验证

1.1 物理模型

用长方体(长×宽×高：100 mm×36 mm×100 mm)模拟电池组。当高倍率放电时，将其看作发热源。

利用ANSYS spaceclaim 进行建模，假定电池组单体按4×3 排列。液体冷却通道与电池组结合的三维几何模型见图1。

图1 冷却通道结构模型

液体通道设计三种不同的冷却结构模型。如图1所示，类型Ⅰ为单通道；类型Ⅱ为双通道，流体从中间的入口1、2 流进通道后分别从出口1、2 流出；类型Ⅲ为每排电池间及电池与环境间布置通道,即五个并行通道，流体从入口流进并分流到各通道中，然后汇集到出口流出。

1.2 数学模型

1.2.1 生热公式

单体电池参照38120 型磷酸铁锂电池设定相关参数，参数见表1。

表1 38120 型动力电池性能参数表

依据Bernardi[39]所建立的电池产热功率模型估算产热功率，见式(1)：

式中：I为电流；V为电池体积；U0为开路电压；U为端电压；T为初始温度；∂U0/∂T为电压温度系数；R为电池内阻。

计算不同放电倍率(3C、4C和5C)下的产热功率，经计算，产热功率分别为20、31 和44 W。

利用公式(2)计算热源模拟器的输出电压，热源模拟器选用直流稳压电源。

式中：U为热源模拟器(直流稳压电源)需要施加的电压；P为产生的热功率；R为所搭建实验台总热阻。

1.2.2 仿真计算

电池组中最高温度低于55 ℃，此过程为相变材料被动冷却；达到55 ℃时，启动液冷，此时为相变材料和液冷协同冷却。

选择求解器的类型为瞬态，计算域包括固体域(电池)和流体域(定型相变材料和流体)。空气自然对流时的表面传热系数约为5～25 W/(m2·K)，计算中，对流换热系数设定为7 W/(m2·K)。初始温度设为20 ℃，时间步长1 s，每次迭代最大次数为20 步。壁面设为绝热。

1.3 模型验证

以膨胀石墨吸附石蜡压制具有通道的定型相变材料与六个电池单体成动力电池组，冷却实验系统见图2。电池两侧是利用定型相变材料构建的通道。通道截面为长方形，宽×高：30 mm×70 mm，壁厚10 mm，总长度320 mm。为了避免电池和通道接触不紧密所带来的接触热阻，在电池和通道之间涂抹一层银硅脂。

图2 定型相变材料构建液冷通道的实验系统

如图3(a)所示，对实验系统进行建模，并进行了仿真分析。热电偶布置方式如图3(b)所示，分别测各电池壁面的温度。

图3 (a)定型相变材料构建液冷通道动力电池组(b)热电偶布置方式

以电池组中的最高温度为例，将仿真值和实验值进行了比较。如图4所示，电池组4C恒流放电，冷却水入口温度为20 ℃，流速为0.38 m/s，数值模拟和实验的温度随时间的变化有很高的一致性。在整个温度变化过程中，1 480 s时对应点仿真值和实验值的绝对误差最大，为1.9 ℃，相对误差为3.7%，说明了模型、热源、边界条件和材料属性等参数设置的合理性。

图4 电池组最高温度随时间的变化曲线

2 结果和讨论

对基于相变材料和液冷相结合的热管理方式的传热结构来说，热量传递主要有电池和相变材料通道之间的热传导，通道和冷却液之间的对流传热。而影响热传导的主要因素是通道的壁厚和热导率，影响对流换热的主要因素是冷却液温度和流速。采用单一变量控制法对上述的影响因素进行了探索。

2.1 通道结构对冷却效果的影响

如图5所示，生热功率为20 W 时，三种冷却结构达到55 ℃的时间分别为1 625、1 783 和1 635 s。因为在双进出(类型Ⅱ)时多一个冷却通道，所以达到55 ℃的时间有所提高，而单进出和并行通道达到55 ℃的时间基本一致，说明达到临界温度的时间与通道的数量(复合相变材料的质量)相关，而与布置方式无关。

图5 不同冷却结构下电池组最高温度的温升曲线

电池组最高温度达到55 ℃时，启动液冷，流速为0.1 m/s，比较了三种冷却结构电池组的最高温度和最大温差。如图6所示，冷却10 min 后，电池组的最高温度和最大温差排序均为类型Ⅰ＞类型Ⅱ＞类型Ⅲ。具体的，三种类型的最高温度分别为36.2、34.1 和31.7 ℃，最大温差分别为3.6、1.4 和0.3 ℃。冷却100 s 后，电池组的温度分布如图7所示，高温区域分布在冷却液的末段。与类型Ⅰ和类型Ⅱ相比，类型Ⅲ(并行通道)缩短了液体的流动路径。类型III 结构电池组最高温度值降低了，电池组温差变小了。

图6 不同冷却结构下电池组的最高温度和最大温差

图7 电池组热仿真温度分布云图

2.2 通道结构的优化设计

通过比较，并行通道电池组的冷却效果较好。考虑到分液和集液时流体边界区域会发生急剧变化，对并行通道的结构进行优化。分液时，随着液体流进支路，分液通道里的液体变少，于是按液体的体积将分液和集液通道由直通道变为不规则的通道。流体流经平顺管道进口时，可以减小局部损失系数，流体流动阻力变小。所以，在不规则分液和集液通道中对支路连接处进行平滑(倒圆角)处理。不同结构的分液、集液散热通道模型见图8。

图8 不同结构的分液、集液散热模型

电池生热功率为20 W，冷却液的流速为0.1 m/s，冷却液为水，入口温度为30 ℃，冷却10 min。通过结构的改变，电池组最高温度略有下降(＜0.3 ℃)，最大温差基本相同。与规则直通道比，不规则通道和倒圆角通道压力损失分别降低了10.0%和28.5%。结果表明，分液、集液连接处倒圆角可以降低压力损失。采用倒圆角并行通道结构是优化选择。

2.3 流速对冷却效果的影响

并行通道冷却结构倒圆角时，冷却10 min 后，比较了不同流速下，电池的最高温度、最大温差和压力损失。冷却液流速由0.05 m/s 提高到0.1 m/s，电池组最高温度和最大温差分别下降了1.2 和1.4 ℃；当流速大于0.15 m/s 时，继续提高流速，最高温度略有下降(＜0.2 ℃)、最大温差基本相同，冷却系统压力损失变大。冷却液流速对电池组冷却效果的影响见图9。综合考虑冷却效果和压力损失，流速设定在0.1～0.15 m/s 具有优势。

图9 冷却液流速对电池组冷却效果的影响

2.4 冷却液入口温度对冷却效果的影响

当冷却结构为倒圆角的并行通道时，冷却10 min 后，流速为0.15 m/s，比较了冷却液的入口温度(15～35 ℃)对冷却效果的影响。如图10所示，冷却液温度越低，电池组趋于稳定所需要的冷却时间越长。这是因为在较长的一段时间内，冷却液温度比电池组的温度低。冷却10 min 后，冷却液入口温度从低到高所对应的电池组温度分别为17.7、22.6、27.6、32.5 和37.4 ℃，可以发现在该冷却条件下，电池组最终的温度比冷却液入口温度高2～3 ℃。

图10 冷却液的温度对电池组温度的影响

不同冷却液入口温度下，电池组的最大温差在冷却10 min后基本相同(约0.3 ℃)，但是冷却过程中有差别。如图11(a)所示：冷却前(t=0 s)随电池组放电发热，电池间存在较大温差，最大温差为6.5 ℃。当冷却液入口温度≤25 ℃时，冷却过程前12 s，由于电池组被冷却液降温，温差逐渐减小，12 s 后冷却液吸收热量，从入口到出口温度逐渐升高，出口处与电池的换热量较小，电池温度依然较高，入口处冷却液温度较低，入口处电池降温较快，最终电池间温差增大。由于电池最高温度一直降低，冷却液与电池组之间的换热减少，出入口的温度差异减小，最终电池间的温差越来越小。

图11 冷却液的温度对电池组温差的影响

冷却液的温度对电池组温差的影响见图11。图11(b)折线图为12 s 后不同冷却液温度下电池组最大温差，条形图为12 s 后的冷却过程温差大于5 ℃的持续时间。当冷却液入口温度≥25 ℃时，电池组温差≤5 ℃，有利于电池组的热管理。

2.5 通道壁厚对冷却效果的影响

假定电池组采用倒圆角的并行通道结构冷却。当生热功率为20 W，流速为0.15 m/s，冷却液入口的温度为30 ℃时，比较了冷却通道的壁厚(2、3、4 和5 mm)对电池组冷却效果的影响。通道壁厚提高，电池温度达到55 ℃的时刻延迟，提高了电池组的温控效果。这是因为通道的材料是复合相变材料，相同密度下，通道壁厚越厚，意味着系统的储热能力越大。通道壁厚为2、3、4 和5 mm 达到55 ℃对应的时间分别为1 635、1 783、1 938 和2 099 s；冷却10 min 后，电池组的温度有所上升，分别为31.9、32.5、32.5 和33.0 ℃。

如图12所示，比较了启动液冷后，通道壁厚对电池组温差的影响。随着通道壁厚的提高，电池组的温差提高，壁厚为5 mm 时的最大温差为7.49 ℃。根据公式(3)，当通道壁厚提高时，模块的导热热阻提高，使得液体和电池两端有了较大的温差，进而使得电池组之间的温差提高。

图12 不同厚度下模块最大温差随冷却时间的变化曲线

式中：Rλ为导热热阻；σ 为通道的壁厚；λ 为热导率。

综合考虑通道的厚度对动力电池组时间和空间温度分布的影响，通道厚度为4 mm 是合适的。

2.6 通道的热导率对冷却效果的影响

假设生热功率为20 W，冷却结构为倒圆角的并行通道，流速为0.15 m/s，冷却液入口的温度为30 ℃，通道壁厚4 mm，比较冷却通道热导率[λ=0.2，0.5，1，2，3，4，6，8 W/(m·K)]对电池组冷却效果的影响。

未启动液冷时，通道热导率的影响见图13。同一时刻，随着通道热导率的提高，电池组的最高温度降低，最大温差提高。因为当热导率提高，有更多的热量从电池组散发到环境中，使得电池组的最高温度降低；较中间区域的电池，热导率提高对外侧电池的散热强化效果更好，使得电池组的温差提高。

图13 未启动液冷时，通道热导率的影响

启动液冷，通道热导率对电池组温度的影响见图14。以电池组的平均温度为例，冷却10 min 后，随着热导率的提高，电池组的温度减低。特别是热导率＜2 W/(m·K)时，热导率提高，电池组的温度有较大幅度的降低；而当热导率＞3 W/(m·K)时，继续提高热导率，电池组的温度降低不明显，说明此时提高热导率对改善电池模块的冷却效果有限。综合考虑，通道的热导率为2～3 W/(m·K)时，对电池组的热管理具有优势。

图14 启动液冷，通道热导率对电池组温度的影响

图15 为冷却通道热导率为3 W/(m·K)时，冷却时间分别为0、300 和600 s 时温度分布图。0 s 时动力电池组最高温度达到55 ℃，高温区域集中在中间。当冷却300 s 后，冷却液流动时吸收一定热量，在出口段温度升高，所以出口附近的电池降温效果相比入口处较差。当冷却600 s 后，电池最高温度和最大温差分别降到33 和0.19 ℃。