泡沫金属−PCM−液冷复合方式下动力电池散热分析*

刘家良，赵知辛，黄鸣远，陈小龙

泡沫金属−PCM−液冷复合方式下动力电池散热分析*

刘家良，赵知辛†，黄鸣远，陈小龙

（陕西理工大学 机械工程学院，陕西 汉中 723001）

电池是电动汽车的核心动力元件，而电池的热管理系统是动力电池发挥最佳工作性能的重要保障，在保证最佳工作性能的同时提升汽车安全性能、电池寿命及能源利用效率。基于21700NCA圆柱型三元锂离子电池，建立以泡沫铝为支撑骨架的电池组系统，在骨架和电池之间的孔隙注入相变材料（PCM）以提高结构内部温度均匀性，在电池底部添加液冷板来强化冷却效果，利用计算流体力学（CFD）仿真技术分析单体电池的耦合散热效果。结果表明，与单一冷却模式相比，使用泡沫金属与相变材料、液体冷却的耦合散热系统，可以达到更加良好的散热效果；对于相变材料，在一定密度范围内，密度越大，对电池系统的冷却效果越好，混合比主要影响相变材料的凝固融化速率。

动力电池；相变冷却；泡沫金属；CFD仿真

0 引 言

21世纪以来，随着社会固有资源的不断消耗，环境的日益恶化，以及对现有能源的依赖，寻找新型清洁能源成为当前发展的重要议题。凭借减少化石燃料的燃烧、低廉的成本和环保等优点，新能源汽车逐渐得到了广泛的关注。目前，商业化新能源汽车主要以电动汽车为主，其核心储能部件为动力电池，与其他电池相比，锂离子电池在体积与能量密度上有着显著的优势，使汽车的续航里程与寿命得到大幅提升，从而被广泛应用于电动汽车中。

目前，电动汽车为追求更高的续航里程，车载电池数量不断增加，当大量密集布置的电池耦合时，电池的散热系统显得尤为重要。在电池组中，当电池温度过低会出现电化学反应迟缓与电解液凝固现象，从而导致电池效率和寿命降低；而当电池温度过高，冷却散热不及时，则会造成电池热失控和热响应不均，这种情况会危及车辆整体安全。因此研究动力电池系统的散热特性具有重要意义[1]。

车用电池模组主动冷却方式有两种，即自然风冷散热和液体冷却散热；被动冷却方式主要采用相变材料（phase change materials, PCM）冷却散热。其中，自然风冷以空气为换热介质，主要采用热对流的方式以达到冷却散热的目的，风冷散热虽成本低廉，结构简单，但受环境温度影响，散热效率较低。ZHANG等[2]提出了在并联风冷模型的气流分配室中设置扰流板这一概念，通过改变气流轨迹与强度提高电池系统的冷却性能。结果表明，扰流板的数量和位置对电池组的散热性能有显著影响。与空气相比，液体的对流系数更大，冷却液可带走更多电池产生的热量，使电池处于安全工作温度下，但液冷管道布置复杂，成本较高，同时存在泄漏风险。万长东等[3]提出了一种采用液冷板与冷条耦合的新型结构，用于强化传热，研究了液冷板布置层数及液体流速对电池散热的影响。结果表明采用双层液冷板散热时，电芯温度更均匀，液体流速小于5 L/min时，随流速增大，散热效果更加显著。而以相变材料作为换热介质的冷却方式，能在材料相变过程中吸收和释放大量的热，达到快速稳定的散热效果。朱波等[4]将相变材料制成储能容器的型式，有效控制了电池温度，在低温工况下电池加热更快。徐祥贵等[5]研究了PCM复合泡沫金属的相变过程，发现加入泡沫金属提高导热率的同时系统温差不断增大。

基于上述冷却方式的优缺点分析，本文将采用以泡沫金属铝为蜂窝型骨架、相变材料填充和液冷板结合的复合式冷却系统，利用计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真技术，分析该复合式冷却方式下动力电池的散热效果。

1 锂离子电池散热结构及参数设定

1.1 电池模型及材料参数

目前，应用于电动汽车的电池主要有方型、软包和圆柱型等。方型电池体积较小，但外层硬质保护壳使得电池包整体重量大幅增加，具有更高空间利用率的同时对冷却系统布置要求较高。软包电池虽质量更轻，但软性塑料膜的材质使得电池自我保护性较差，安全性较低。圆柱型电池的标准化使得电池成组后更加稳定，输出功率更大，但单体电池数量更多的情况下，对热管理系统的要求更高。近年来全球最大的能源公司特斯拉将21700NCA圆柱型锂离子电池应用于新能源汽车，本文将以该电池作为研究对象。21700NCA圆柱型三元锂离子电池外观如图1所示。该电池由正极、正极集流体、负极、负极集流体、隔膜层叠卷绕而成，并浸于电解液中，外部由铝壳包裹[6]。

图1 21700NCA圆柱型三元锂离子电池

若按照电池的真实层叠结构建立模型进行仿真，需要大量网格，严重影响计算效率，因此采用集中参数法建立电池模型，即将锂电池看作一个温度均匀分布的均质体，如图2所示，热物性参数取各部分加权平均值。

图2 锂离子电池模型示意图

由于电池内部的空间结构，故导热系数存在各向异性。21700NCA圆柱型三元锂电池的相关参数如表1所示。

表1 21700NCA圆柱型三元锂电池相关参数[2]

泡沫金属具有导热率高、密度低、隔热性好和空间结构稳定等特点[7]。为改善电池散热条件，本研究采用面心立方结构的泡沫铝作为放置电池的主体骨架，如图3a所示。电池布置如图3b所示，单体电池之间采用并联再串联的方式形成电池组，包含4 × 4共16节21700NCA圆柱型三元锂离子电池。

相变材料主要分为有机类、熔融盐类、合金类及复合类四种，其中，熔融盐类与合金类相变材料适用于120℃～ 1 000℃的中高温环境，本文低温封装环境下，选择导热性能较好、储热密度较高的石墨/石蜡有机类复合相变材料。将该相变材料填充至泡沫铝与电池组之间的圆柱型孔隙中，从而形成泡沫铝、石墨/石蜡复合冷却结构。该材料的储能密度较高，化学稳定性较好，易于控制。同时相变过程膨胀收缩性小，没有腐蚀性和相分离现象[8-9]。为进一步提高散热效率，在电池底部放置铝制液冷板。防止冷却液泄漏，在电池与液冷板之间加入硅胶以达到绝缘的目的。同时在电池上表面覆盖陶瓷纤维防止高温，冷却液采用乙二醇。各组件材料热物性参数见表2。

图3 电池组散热结构：（a）面心立方结构泡沫铝；（b）电池组结构

表2 材料热物性参数

石墨/石蜡相变材料是定型材料，黏度无限大，即使达到固液相临界温度，也不会存在宏观上的液体流动现象。同时，为简化仿真计算，假定相变材料的热导系数、密度和比热容不随温度变化，忽略相变材料在相变前后的体积变化和相变材料的对流效应[10]。

1.2 物理与数学模型

目前采用圆柱型锂电池的电动汽车通常包含成百上千块单体电池，被分成多个模组。本文采用的是4 × 4电池组模型，如果对完整的电池组进行建模仿真需要花费巨大的计算成本，因此为进一步简化模型，考虑到单体电池均匀分布，基本具有相同的边界条件，仿真分析采用单体电池模型，模型剖面图如图4所示。

模型由电池、泡沫铝骨架、相变材料、液冷板及管道5个部分组成，使用有限元前处理软件ICEM对电池模型进行网格划分。为在保证计算精度的同时提高计算效率，在模型的各部分采用不同的网格精度。此模型网格质量分布在0.65 ～ 1。单体电池网格如图5a所示，系统结构网格如图5b所示。

图4 单体电池散热模型

图5 模型网格划分：（a）单体电池网格；（b）整体散热结构网格

为描述电池内部的发热功率，BERNARDI等[11]推导出基于电池内部均匀发热的等效产热方程，该方程是目前应用最广泛的公式之一，其表达式为：

1.3 不同放电倍率对电池温度的影响

当前，对于单体电池国内外规定1 C为标准默认充放电倍率，2 C为较高充放电倍率。基于21700NCA圆柱型锂离子电池，设置1 C、1.5 C、2 C 三组放电倍率工况。在不同放电倍率下电池温度与时间的关系曲线如图6所示[6]。

图6 不同放电倍率下的电池温度

从图中可以看出，随电池放电倍率的增大，电池内部温度与温差升高，但其趋势基本保持一致，前1 500 s温度迅速上升，达到峰值，后缓慢下降，趋于稳定。峰值均出现在1 500 ～ 2 000 s，且放电倍率每增加0.5 C，温度峰值升高5 K。为更好地表现电池系统的散热效果，采用1.5 C放电倍率，编译udf模拟电池热源的生热情况。

1.4 计算参数及网格独立性验证

设定环境温度为25℃，冷却液入口温度为20℃，流量为2 L/min，流体通道当量直径为4 mm，入口雷诺数小于2 300，冷却液入口采用速度入口，出口采用压力出口，单通道进口流速为1.3 m/s。相变材料外表面、耐火材料外表面及液冷板外表面均为自然对流换热面，设置自然对流换热系数为5 W/(m2∙K)。

网格数量是影响数值仿真模拟精度与收敛性的重要参数，为保证泡沫金属−PCM−液冷复合结构的动力电池散热数值计算的准确性，采用480 891、968 326、1 246 217三种不同的网格数进行模拟，其余条件保持不变。电池温度变化趋势如图7所示。

图7 网格独立性验证

由图7可知，在网格数量分别增长50.3%、61.4%时，电池温度的变化在3%以内，对比三种不同网格数所得结果，没有发现明显差异，考虑计算成本与计算效率，采用的网格数为480 891。

2 结果与讨论

2.1 复合冷却系统下电池温升特性

在设定工况条件下，21700NCA圆柱型锂离子电池表面温度分布如图8所示。图8a为电池侧面温度分布，图8b为电池上表面温度分布，图8c为电池底部温度分布。由图8可知，电池最高温度为28.15℃，温升为3.15℃，电池底部靠近液冷板，散热较快，热量聚集较少；电池顶部距液冷板较远，散热较慢，热量主要积聚在顶部，温度分布梯度较为明显。

图8 复合冷却散热结构下电池温度分布：（a）电池侧面；（b）电池上表面；（c）电池底部

同时，相变材料与泡沫金属铝的温度分布如图9所示。初始阶段（0 ～ 1 000 s ），在热传导的作用下系统温度升高，但由于泡沫金属铝的导热率远高于相变材料，故温升速率比相变材料快，因此泡沫金属铝周围填充的相变材料首先产生熔化趋势，逐渐吸收部分电池产生的热量，提高了熔化过程的均匀性[5]。

图9 泡沫金属铝（a）和相变材料（b）温度分布

在设定工况条件下，对比分析复合式冷却散热结构、无冷却散热结构和液体冷却散热结构的性能差异。其中，复合式冷却散热结构与液体冷却散热结构中液冷板均布置于电池底部，三种结构下的电池截面温度分布如图10a、图10b、图10c所示。图10可知，复合式冷却散热结构、无冷却散热结构和液体冷却散热结构电池最高温度分别为28.15℃、32.95℃、28.85℃。由此可得，该复合式冷却散热结构可以有效吸收电池产生的热量，有助于更好地控制电池内部温度。其中，单一液体冷却散热结构由于受液冷板布置位置影响，电池内部温度分布呈明显的层叠状，不再是由中心向外部发散的环状，故液冷板布置位置会影响电池内部温度的均衡性。在复合式冷却散热结构下，温度条纹状分布的趋势明显减弱，大体呈环状分布，控制最高温度的同时纵向温差控制在1 × 10−1数量级，对电池整体影响较小，与其他两种冷却方式相比，该耦合冷却结构效果更佳。

图10 复合式冷却（a）、无冷却散热（b）及液体冷却散热（c）结构下电池截面温度分布

尽管在复合式冷却散热结构下，泡沫金属铝，相变材料及液冷板在一定程度上会降低电池的能量密度，但其质量密度较低，在减少对电池能量密度影响的同时能有效地控制电池的温升[12]。

2.2 环境温度对电池温升特性的影响

当环境温度从25℃上升至40℃，电池温度随时间变化曲线如图11a所示，电池纵向温差随时间变化曲线如图11b所示。由图11a可知，当环境温度升高时，电池缓慢升温，最大温差为11℃，环境温度上升15℃，电池温升幅度为环境温升幅度的70%，电池处于安全温度范围内。在升温过程前期，电池温度波动较大，后期相对稳定。由图11b可以看出，复合式冷却散热结构下电池纵向温差为0.15℃～ 3.15℃。在一定范围内，随环境温度升高，电池纵向温差逐渐减小，是由于当环境温度升高时，相变材料逐渐趋近液相状态，由低温的固态导热方式逐渐转换为高温液态导热方式。此时，复合相变材料不会发生明显的液体流动现象，吸热量增加，温度变化范围减小，提高了电池内部温度的均匀性。

2.3 相变材料混合比与密度对电池温度的影响

改变相变材料的混合比会影响材料的导热率、比热容和相变潜热，通常石墨质量分数越大，相变材料的导热性越好，但比热容降低，故在相变材料中石墨含量越高，与外界的换热效率越高，储热能力降低。同时，由于石墨疏松多孔的物理性质，在制备后冷却压缩，可制得不同密度的相变材料[13]，相变材料的密度会影响整个系统吸热量，密度越大，材料的导热性越好，可吸收的热量更多，电池能够更加稳定地维持在一定安全温度下。同时在满足系统冷却散热性能的前提下，应尽量减少相变材料的用量，以满足经济性与轻量化的要求。本文分别采用石墨含量为10%和20%两种混合比对600 kg/m3、700 kg/m3、800 kg/m3三种不同密度的相变材料进行电池冷却散热性能研究。材料相关热物性参数见表3。

在复合相变材料中混合比保持不变，石墨含量为10%时，三种相变材料密度的电池截面温度分布如图12a、图12b、图12c所示。当石墨含量达到20%，其余条件不变时，电池截面温度分布如图12d、图12e、图12f所示。

表3 石墨/石蜡相变材料热物性参数[14]

图12 不同石墨含量与密度下复合相变材料的电池截面温度分布

由图可知，复合相变材料密度对电池系统温度的影响较小，但从总体趋势可以看出在一定范围内，密度越大，电池内部温度越低，且温差均保持在较小范围。在混合比增大，密度保持相同数值梯度时，电池内部温度基本保持不变，复合相变材料混合比的变化对电池系统温度影响较小。

产生上述现象的原因是不同相变材料导热性的差异，从而进一步影响电池系统的温度变化。同时，复合相变材料中石墨的含量在一定范围内对电池温度的影响较小，石墨含量的高低主要影响复合相变材料的冷凝与熔化速度，石墨质量分数越高，复合相变材料的冷凝与熔化速度越快[14]。

通过以上分析可以得出：在一定工况下，复合相变材料的密度越大，电池系统的温度越低；相变材料中石墨含量的变化对电池系统温度影响较小，该参数主要影响复合相变材料的凝固融化速率。

3 结 论

对21700NCA圆柱型锂离子电池建立了泡沫金属、相变材料及液体冷却的复合式冷却散热模型，研究了电池在该耦合模型不同工况下的散热特性，相关结论如下：

（1）与无冷却、液体冷却等单一冷却方式相比，基于泡沫金属、相变材料及液体冷却的复合冷却方式对电池系统温度控制有明显的优势，冷却散热效果更佳。

（2）当环境温度从25℃升至40℃时，电池温升幅度为环境温升的70%，电池纵向温差减小，电池处于安全温度范围内，电池内部温度分布较为均匀。

（3）对于复合相变材料，混合比一定，密度越大，电池内部温度越低，密度一定，混合比的改变对电池内部温度影响较小。

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Analysis of the Heat Dissipation of Power Battery under the Composite Mode of Metal Foam-PCM-Liquid Cooling

LIU Jia-liang, ZHAO Zhi-xin, HUANG Ming-yuan, CHEN Xiao-long

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, Shaanxi, China)

Battery is the core power component in electric vehicles, and the battery’s thermal management system is an important guarantee for the best performance of the battery. Based on the 21700NCA cylindrical ternary lithium-ion battery, a battery pack system with foamed aluminum as the supporting framework was established in this paper. Phase change materials (PCM) were injected into the pores between the framework and the battery to improve the internal temperature uniformity of the structure. A liquid cooling plate was added to the bottom of the battery to enhance the cooling effect, and the coupled heat dissipation effect of the single battery was analyzed by computational fluid dynamics (CFD) simulation technology. Results showed that, compared with the single cooling mode, the coupling cooling system of metal foam, phase change material and liquid cooling can achieve better cooling effect. For phase change materials, within a certain density range, the higher the density, the better the coolingeffect of the battery system. The mixing ratio of PCM mainly affects the solidification and melting rate of PCM.

power battery; phase change cooling; foam metal; CFD simulation

2095-560X（2022）01-0080-07

TK124

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.01.011

2021-11-26

2021-12-30

陕西省科技厅重点研发计划项目（2019GY-068）；陕西省教育厅专项科研计划项目（16JK1147）

赵知辛，E-mail：zhixin2015@sohu.com

刘家良（1996-），男，硕士研究生，主要从事机械装备的CAE分析、流体力学CFD分析等方面的研究。

赵知辛（1973-），男，工学博士，讲师，主要从事机械装备的CAE分析、流体力学CFD分析等方面的研究。