基于液冷和相变材料冷却的动力锂电池热管理系统研究

张海波　顾骁勇　鲁福硕　席加诚　雷文博

摘 要：锂离子电池在工作过程中会放出大量的热，长时间工作会导致电池长期处于高温环境中，对电池的性能和寿命造成严重影响。文章设计了一种基于液冷板和相变材料结合的动力锂电池散热系统，对比分析了不同的介质、不同的初始温度、不同的水流速对电池散热的影响。结果表明，在初始温度为25℃，水的流速为0.2m/s时，采用水+相变材料的方式对电池进行散热效果最佳。

关键词：电池热管理 相变材料 锂离子电池 散热性能 液冷板

1 引言

锂离子电池因为没有记忆效应、输出功率大、使用寿命长、不含有毒有害物质等优点，在储能和新能源汽车领域得到了广泛应用。但由于温度对动力锂电池的性能影响很大，所以电池的最佳工作温度范围需要控制在20～45℃之间[1]。在实际的高温环境和快速放电应用下，电池的产热量迅速增加。若热量得不到耗散，会发生不可逆的热失控甚至爆炸。除此之外，电池工作前后的最大温差应小于5℃。温差过大就会导致电池的放电不平衡，加快电池老化速率，影响电池的容量保持率。为了提高电池的性能，确保电池寿命，简单高效的电池热管理技术显得尤为重要[2]。

针对电池的研究中，卢欣欣等[3]研究新能源汽车动力电池分类及其常见问题，并提出解决方法，为电池发展提供理论指导。张良[4]设计了一套强制风冷散热系统，通过改变电池间距、进风口风道角度等，有效改善了风冷散热系统的散热效果。贺春敏等[5]将Mxene与石蜡结合构建复合相变材料，探讨不同参数对散热性能影响，最终实现可将温差控制在0.75℃以下。张晓光等[6]建立相变冷却耦合空气冷却锂电池组散热模型，模拟不同单体电池间距以及相变材料用量下电池组温度场变化情况。研究发现，当单体电池均匀排布时，随着电池间距的增大，相变冷却系统内温差先降低后升高，在10mm时温度均匀性最优。路玲等[7]研究发现，添加翅片的PCM散热模型可将锂电池最高温度进一步降低2.4℃，增加翅片数量和延伸翅片长度均可提升锂电池散热性能。刘晓峰等[8]研究热管和空气冷却结合的技术对电池进行散热，相比强制空气对流，弥补了热介质空气热学性能差的缺点。吴凯等[9]研究对比风冷、液冷、相变材料制冷等不同方面，认为液冷适用范围更广、效率更高。王烨等[10]设计平板热管与相变材料（PCM）复合的散热系统，可以解决单块电池温差过大的问题。任雪萍等[11]采用一种基于口琴管的液冷方案模拟研究冷却电池组的温度分布，结果表明，该方案可以同时满足电池所需的降温和均温要求。

本文设计了基于液体和相变材料冷却的电池热管理系统，研究了不同介质对电池散热的影响，比较了不同冷却方式下的电池散热情况。

2 数值模型建立及实验验证

2.1 模型建立

锂离子电池参数为直径18mm，高65mm的18650圆柱电池，忽略电池细小部件对电池生热和传热的影响，对电池单体进行简化处理，使用Solidworks进行建模。如图1所示，电池摆放在带翅片的支架上，在电池周围填充相变材料，支架下方铺设有流道，水从支架底部的流道内流过用于冷却电池，锂离子电池、相变材料、支架和水的物性列于表1中，其中支架的材料为氧化铝。

2.2 网格划分

为了验证网格数量对计算结果的影响，使用Ansys Mesh对电池单体模型进行网格划分，网格模型如图2所示，网格数及其放电结束后温度的关系如图3所示。

如图3所示，当网格数量增加到57万个之后，网格数量的增加对温度的影响逐渐减小，当网格数量再次增加10万个时，温度变化在0.01K，因此采用的网格数量为57万个。

2.3 控制方程

数值模型中采用的连续性方程（1）、动量守恒方程（2）和能量守恒方程（3）如下所示[13]。

式中：u为速度，m/s；t为温度，K；P为压力，Pa；ρ是密度，kg/m3；μ是黏度，Pa·s；λ是热导率，W/（m·K）;cp为比热容，J/（kg·K）。

式中：H为焓，J/kg；L为潜热，J/kg，下表L和S分别代表液相和固相。

计算电池的生热率的公式如下所示[15]。

式中：I为电流，A；R为电阻，Ω，U为电压，V。

2.4 初始条件

假设电池分别在初始温度为25℃、30℃、35℃的工况下以3C电流放电，水的流速分别为0.05m/s、0.1m/s、0.2m/s，忽略重力，采用SIMPLE算法，压力、动量和能量采用二阶迎风格式，除能量外收敛条件为残差小于10-3，能量的收敛条件为残差小于10-6。

2.5 实验验证

通过实验验证电池的生热模型。如图4所示，将4个18650电池串联后置于恒温箱内，使用充放电装置（型号EBC-A20）将电池进行3C放电。使用了四个热电偶来测量电池的实时温度，并使用一个无纸记录仪（型号MIK-R5000C）记录并保存数据。仿真的结果和实验的结果如图5所示。

根据图5，实验结果与仿真结果之间的差异很小，最大偏差在1℃以内，这表明仿真使用的电池生热模型是可靠的。

3 不同介质对锂离子电池散热的影响

3.1 不同冷却方式的影响

不同冷却方式下的温度云图如图6所示，在仅用空气对电池进行散热时，电池的温度较高，由于电池底部的热量在支架表面散发，所以电池底部的温度低于电池顶端，图中顶端的颜色也更深。四周的电池比中间的电池与空气的接触面积更多，自然对流带走了侧面电池的一些热量，所以颜色也比中间的电池较浅。在用水作为冷却剂的情况下，由于冷却水在电池下方的流道中流动，会带走大量热量，所以电池底部的温度明显低于电池顶部，在翅片的作用下，电池中上方的部分热量也被水带走，冷却效果优于仅用空气冷却。当用相变材料冷却电池时，冷却效果明显好于前两种，电池的大部分热量被相变材料吸收。使用水+相变材料作为冷却剂效果是四种冷却方式中效果最好的，因为其结合了水冷电池和相变材料冷却电池的优点。

不同条件下的冷却温度变化如图7所示，电池的初始温度为303.15 K，电池产生的热量随时间逐渐增加。前220 s在四种冷却方式下的电池升温速度相差不大，220 s之后相变材料和水+相变材料的方式升温速度明显低于另外两种，相变材料的相变温度是308.15K，此时电池的温度达到了这一数值，所以相变材料开始融化，在相变材料融化逐渐过程中，电池的温度几乎不发生变化，相变材料吸收了电池散发出的热量，当电池底部流道中有水通过时，水也能带走电池的热量，因此当使用水和相变材料冷却电池的时候，放电终了时电池的温度最低，为313.51K，比仅使用空气冷却电池时降低了20.78K。

电池热管理系统不仅需要快速降低电池温度，而且还需要将电池的温差保持在± 5℃范围内，因此电池的温差对冷却方式的选择也尤为重要。不同冷却方式下的温差如图8所示，采用四种冷却方式下的电池温差均随时间推移而逐渐增加。其中相变材料和水+相变材料冷却的电池温差有些波折，在220 s之前的温差略高于另外两种冷却方式的温差，在220 s至300 s之间温差又会减小至0，这是因为在相变材料融化的过程中相变材料的温度几乎不发生变化，之后到1000 s 四种冷却方式的温差相差不大，但1000 s之后它们间的差异随时间推移而增大，在放电终了时，电池温差最小的冷却方式是水+相变材料。

3.2 不同初始温度的影响

本节研究的是不同初始温度对电池散热的影响，其余变量一致的情况下分别设置了初始温度为25℃、30℃、35℃。

图9所示的是在初始温度不同的情况下电池的温度。从图中可以看出当，初始温度为298.15K时，放电终了时电池的温升是三组中最大的，当初始温度为308.15K时，放电终了时电池的温升是三组中最小的，这是由于当初始温度为308.15K时，放电终了时，已经有大部分相变材料融化，相变材料融化时维持了电池的温度，降低了电池的温升，如图10所示，初始温度为35℃时，放电终了时液相质量分数远远大于初始温度为25℃时的液相质量分数。不同初始温度下液相质量分数随时间的变化情况如图11所示，从图中可以看出当初始温度为35℃时，在电池放电刚开始时相变材料就开始融化，而当初始温度为25℃时，在电池放电后450s相变材料才开始融化。

初始温度不同时的电池温差如图12所示。三组温度达到308 K后温差会降低一段时间，之后温差又会随时间推移而不断增大，在900s时，初始温度为25℃的电池温差为0.4 K，初始温度为30℃电池温差为0.6K，初始温度为35℃电池温差为0.7K。初始温度为25℃的电池温差最小。

3.3 不同流速的影响

本小节研究的是在其余条件都相同的情况下，水的流速对电池散热性能的影响。图13展示了不同流速下电池的温度，从图中可以看出随着水流速的增大，电池的温升速度减慢，但速度对电池温度的影响不显著，这是由于流速较高时水流冲刷流道边界，提升了对流换热系数，使得更多的热量从电池传递给水，但是流道与电池的接触面积较小，因此这种效果不明显。

不同流速下的电池温差，如图14所示。220s相变材料熔化之前三种流速相差不大，但熔化之后，同一时刻，流速越大温差越低，例如在900 s时，流速为0.05m/s的温差为0.58K，流速为0.1m/s时温差为0.56K，流速为0.2m/s时温差为0.5 K，这表明了在相变材料融化后，流速增大电池之间的温差减小。

4 结论

本文设计了基于液体和相变材料冷却的电池热管理系统，研究了不同介质对电池散热的影响，比较了不同冷却方式下的电池散热情况，得出结论如下：

（1）在电池周围包裹相变材料后，放电终了时电池的温度和温差均降低，水+相变材料的冷却方式为最优。

（2）电池初始温度较高时，放电终了时相变材料的液相质量分数较高，电池的温升较小。

（3）水的流速增大将导致电池的温度和温差降低。

参考文献：

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