李世遠(yuǎn)

摘要：針對鋰離子電池的熱管理問題，建立了電池產(chǎn)熱與相變材料相變控溫過程耦合的計(jì)算模型，基于純石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)低，后期采用膨脹石墨/石蠟復(fù)合相變材料作為控溫材料，在2.5C充放電倍率下研究了相變材料層厚度、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化對電池散熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)整體相變控溫層厚度為4mm，靠近電池1mm附近填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的膨脹石墨復(fù)合材料而其余部分填充9%的膨脹石墨復(fù)合材料時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)綜合性能最佳的控溫效果，使電池的最高溫度控制在45℃以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：電池?zé)峁芾?相變材料;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;最高溫度

中圖分類號：U469? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0221-02

0? 引言

近年來，隨著能源的消耗世界各國政府花費(fèi)大量的人力及物力發(fā)展新能源汽車[1]，而電池作為電動汽車的三大組件之一[2]，顯得尤其重要。電池在使用的過程中會釋放大量的熱量，因此需要設(shè)計(jì)一套高效合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）來對電池的溫度進(jìn)行控制。其中相變材料冷卻具有結(jié)構(gòu)緊湊、接觸熱阻低、冷卻效果好等優(yōu)點(diǎn)，大量的學(xué)者對相變材料的的結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)熱率進(jìn)行了研究[3-5]。本文針對相變材料系統(tǒng)固有的缺陷，在前人的基礎(chǔ)上提出了一種針對方形鋰離子電池的相變材料熱管理系統(tǒng)，通過對相變材料填充區(qū)進(jìn)行分區(qū)操作從而對不同的小區(qū)間填充不同性質(zhì)的復(fù)合相變材料，使相變材料系統(tǒng)在不結(jié)合其他冷卻方式的情況下達(dá)到更好的控溫效果。

1? 物理及數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

本文的研究對象為由磷酸鐵鋰離子電池與相變材料構(gòu)成的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。物理模型如圖1所示，鋰電池組是由1×6縱向排列的6個(gè)鋰離子電池組成，其中鋰離子電池的參數(shù)如表1所示。采用將相變材料鑲嵌在兩個(gè)鋰離子電池之間的方法，兩電池之間為相變材料區(qū)，其中電池組左、右邊緣的相變材料厚度為中間相變材料厚度的一半，其中純石蠟和石蠟與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨脹石墨復(fù)合而成的復(fù)合材料的參數(shù)如表2所示。

1.2 邊界條件

本文模擬鋰離子電池在2.5C功率下充放電情況，模擬時(shí)選取的環(huán)境溫度及初始溫度為303.15K，且相變材料與周圍環(huán)境為自然對流換熱，換熱系數(shù)為5W·m-2K-1。

2? 結(jié)果與討論

2.1 CFD網(wǎng)格數(shù)相關(guān)性

將石蠟的厚度設(shè)為2mm，進(jìn)行網(wǎng)格相關(guān)性分析。如圖2所示，電池最高溫度和最大溫差隨網(wǎng)格數(shù)的增加變化趨勢基本相同，且在網(wǎng)格數(shù)達(dá)到187萬之后出現(xiàn)平緩趨勢。故選擇網(wǎng)格數(shù)為187萬的網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)研究，且本文以最高溫度和最大溫差作為評價(jià)指標(biāo)，單位為K。

2.2 改變石蠟厚度及電池?zé)岱治?/p>

本節(jié)首先對石蠟的厚度進(jìn)行模擬研究。如圖3所示，隨著石蠟厚度的增加，電池最高溫度和最大溫差都呈先下降后平穩(wěn)的趨勢。經(jīng)過分析可知，當(dāng)中間部位的石蠟厚度從2mm增加到4mm時(shí)，最高溫度和最大溫差分別降低了約2.86℃和0.58℃，而厚度從4mm增加到6mm時(shí)，兩者分別僅改善了約0.18℃和0.09℃。而且相變材料厚度的增加會占據(jù)整車的額外空間，然而實(shí)際的電動汽車在空間上有嚴(yán)格的控制。因此，相變材料的厚度增加雖然可以提高降溫效果，但并不是單調(diào)關(guān)系。故本文認(rèn)為當(dāng)中間部位的石蠟的厚度為4mm，電池組兩側(cè)的石蠟為2mm時(shí)，冷卻效果最好。

2.3 相變材料的性質(zhì)對電池溫度的影響

在以上研究中的相變材料最優(yōu)厚度的基礎(chǔ)上，將相變材料從純石蠟換為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨與石蠟的復(fù)合材料，研究膨脹石墨質(zhì)量不同對電池最高溫度與最大溫差的影響。從圖4中可以看出當(dāng)總質(zhì)量相同時(shí)，膨脹石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的復(fù)合材料對電池有更好的控溫效果。其中最高溫度與純石蠟相比降低值為1.20221℃，效果顯著。故本文認(rèn)為，改變材料的導(dǎo)熱率會對電池溫度的降低帶來較好的改善。

2.4 改變相變材料的結(jié)構(gòu)及電池?zé)岱治?/p>

繼上述研究，對兩電池之間的相變材料區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。以靠近電池1mm處對相變材料區(qū)進(jìn)行分割，分別模擬在添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨下電池的散熱特性，即電池組中間部分的相變材料區(qū)分成1mm、2mm、1mm三種寬度的小區(qū)間;而電池組兩側(cè)相變材料區(qū)分成兩個(gè)寬度為1mm的小區(qū)間。研究結(jié)果，如圖5所示，其中，表3表示工況對應(yīng)的填充區(qū)結(jié)構(gòu)，當(dāng)靠近電池1mm附近的相變材料小區(qū)間與中間2mm寬的小區(qū)間分別填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%和9%的膨脹石墨，電池組兩側(cè)則靠近電池1mm內(nèi)填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，剩余部分填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%的膨脹石墨時(shí)相變材料控溫效果最好，記為12/9。此時(shí)，電池的最高溫度為318.12℃，相比相變材料為2mm寬的石蠟初始工況，最高溫度降低了4.10℃（8.36%），最大溫差降低了0.64℃（91.01%）。至于其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合標(biāo)記類似12/9，其中0表示純石蠟。

3? 結(jié)論

本文對復(fù)合相變材料電池?zé)釤峁芾砟Ｐ图敖Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過CFD模擬發(fā)現(xiàn)：

①通過相變材料對電池進(jìn)行熱管理時(shí)，改變相變材料的厚度能對電池溫度的控制帶來較好的改善。②當(dāng)采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨脹石墨與石蠟復(fù)合相變材料時(shí)，對電池的最高溫度有顯著的影響。③當(dāng)對兩電池之間的相變材料區(qū)進(jìn)行分區(qū)而填充不同的復(fù)合材料時(shí)，對相變材料的控溫效果有一定的改善。

參考文獻(xiàn)：

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