安治國(guó)，鄧 芳，嚴(yán) 冬，張 顯

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

鋰離子電池由于具有能量密度高、比功率大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車。鋰電池單體成組后裝入電池包，其最適宜的工作溫度范圍是20～50 ℃，最大溫差應(yīng)該小于5 ℃[1-2]。然而，當(dāng)電動(dòng)汽車在惡劣工況工作時(shí)，電池模組的最高溫度很容易高于電池適宜的溫度范圍，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)發(fā)生熱失控甚至爆炸，所以，一個(gè)散熱性能優(yōu)良的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)至關(guān)重要。

相變材料冷卻利用相變材料(PCM)的相變潛熱吸收電池釋放的熱量，從而對(duì)電池的溫度進(jìn)行控制。與其它冷卻方式相比，采用相變冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有電池模組溫度均勻性好[3]、控溫性能優(yōu)異[4]、不易發(fā)生熱失控[5]的優(yōu)點(diǎn)。在眾多種類的PCM 中，石蠟具有成本低、無(wú)毒、密度小、高潛熱等優(yōu)點(diǎn)，被作為鋰電池散熱的首選材料。但是，純石蠟PCM 導(dǎo)熱系數(shù)較低，而多孔性物質(zhì)膨脹石墨具有高導(dǎo)熱性，將石蠟與膨脹石墨相結(jié)合形成具有高導(dǎo)熱性的復(fù)合相變材料(CPCM)是提高石蠟導(dǎo)熱系數(shù)的有效方法。Mallow 等[6]對(duì)泡沫鋁和膨脹石墨CPCM 進(jìn)行了對(duì)比研究，研究結(jié)果表明膨脹石墨CPCM 具有高導(dǎo)熱性、低密度、孔徑小等優(yōu)點(diǎn)，因此在導(dǎo)熱、恢復(fù)、質(zhì)量等方面均優(yōu)于泡沫鋁CPCM。

膨脹石墨CPCM 被動(dòng)熱管理系統(tǒng)具有較好的散熱性能，但是當(dāng)電動(dòng)汽車在惡劣工況下長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，電池的工作溫度將會(huì)高于50 ℃，甚至可能引發(fā)熱失控。為了進(jìn)一步提高CPCM 熱管理系統(tǒng)的散熱性能，需要結(jié)合主動(dòng)冷卻散熱方式。Mehrabi-Kermani 等[7]研究了環(huán)境溫度為40 ℃時(shí)，采用CPCM強(qiáng)制空氣冷卻熱管理系統(tǒng)的鋰離子軟包電池的散熱性能，結(jié)果表明該熱管理系統(tǒng)能使PCM 的潛熱盡快恢復(fù)，并且能將電池的最高溫度控制在60 ℃以下。Jilte 等[8]采用CPCM 強(qiáng)制空氣冷卻熱管理系統(tǒng)對(duì)18650 圓柱形鋰電池組的散熱性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與單純的PCM 冷卻相比，該系統(tǒng)提高了電池模組的溫度均勻性，具有更好的散熱性能。Chen 等[9]研究了進(jìn)口速度、相變溫度和環(huán)境溫度等參數(shù)對(duì)采用CPCM 強(qiáng)制空氣冷卻熱管理系統(tǒng)的18650 圓柱形鋰電池組散熱性能進(jìn)行了研究，得出了進(jìn)口速度、相變溫度和環(huán)境溫度對(duì)模組最高溫度及最大溫差的影響規(guī)律。

基于以上CPCM 強(qiáng)制風(fēng)冷耦合熱管理系統(tǒng)的研究成果，本文以膨脹石墨CPCM 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的18650 圓柱形鋰離子電池模組為研究對(duì)象，研究了膨脹石墨(EG)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、放電倍率、空氣流速、環(huán)境溫度以及充放電循環(huán)等對(duì)電池組散熱性能的影響。

1 模型與方法

1.1 鋰離子電池?zé)嵝?yīng)模型

為了方便對(duì)鋰離子電池進(jìn)行熱仿真分析，本文給出以下假設(shè)：電池內(nèi)部熱源穩(wěn)定，生熱均勻；忽略電池內(nèi)部輻射換熱和對(duì)流換熱；電池內(nèi)部電解液幾乎不流動(dòng)；單體電池的各項(xiàng)性能參數(shù)不隨溫度和電池電量的改變而變化；電池內(nèi)部材料物理性質(zhì)不會(huì)因方向不同而變化。基于以上假設(shè)，電池發(fā)熱過(guò)程控制方程如式(1)所示：

式中：λ表示電池內(nèi)部導(dǎo)熱系數(shù)；q表示電池的生熱速率；ρ表示電池的平均密度；Cp表示電池的比熱容。電池單位體積產(chǎn)熱速率q可根據(jù)Bernardi 等[10]提出的理論公式進(jìn)行計(jì)算，如式(2)所示：

式中：I表示電池充放電時(shí)電流；V表示電池體積；Eoc表示電池開路電壓；E表示電池工作電壓；T表示電池工作環(huán)境溫度；dEoc/dT表示熵?zé)嵯禂?shù)。

1.2 電池仿真模型

圖1(a)為膨脹石墨CPCM 電池組的幾何模型，該電池組包含25 只松下NCR18650PF 鋰電池，鋰電池具體技術(shù)參數(shù)如表1 所示。單體電池的尺寸為18.5 mm×65 mm，電池均勻排列且兩兩間距為5 mm，單體之間填充膨脹石墨CPCM。本文選的PCM 及膨脹石墨CPCM 熱物性參數(shù)[11]如表2 所示。其中，PCM 為相變溫度44 ℃的石蠟。

圖1 膨脹石墨CPCM 電池組模型

表1 單體鋰電池部分參數(shù)

表2 復(fù)合PCM 熱物性參數(shù)

對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格模型如圖1(b)所示，此模型中包含1 728 564 個(gè)四面體網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)為279 314個(gè)。電池模組強(qiáng)制風(fēng)冷求解域簡(jiǎn)化模型如圖1(c)所示。

電池模組仿真在ANSYS/Fluent 中進(jìn)行，分別研究自然對(duì)流條件下不同放電倍率、EG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)電池組散熱性能的影響，在1C充電/3C放電充放電循環(huán)條件下空氣流速對(duì)電池組散熱性能的影響以及不同放電倍率下環(huán)境溫度對(duì)電池組散熱的性能影響。仿真時(shí)，模擬電池模組六個(gè)面與空氣之間的換熱過(guò)程，不同空氣流速下的表面換熱系數(shù)[12]如表3所示。

表3 電池模組各表面的換熱系數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 EG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CPCM 散熱性能影響分析

在環(huán)境溫度為32 ℃時(shí)，采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)膨脹石墨CPCM 時(shí)，電池組分別以2C、3C及4C放電，結(jié)束時(shí)得到的仿真結(jié)果如表4 所示。電池模組4C放電的溫度分布云圖如圖2 所示，模組最高溫度、單體電池間最大溫差及CPCM 液相率隨放電倍率的變化情況如圖3 所示。

圖3 EG質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)電池模組的最高溫度、最大溫差及CPCM液相率的影響

表4 放電結(jié)束時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同EG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)電池模組4 C放電溫度云圖

由圖3 可知，當(dāng)EG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)，電池模組4C放電的最高溫度和液相率明顯大于3C和2C放電，且隨著EG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電池組最高溫度呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，液相率呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)。3C放電時(shí)，PCM 冷卻電池模組的最高溫度上升至48.573 ℃，最大溫差增加至1.797 ℃，液相率也增加到31.08%；EG 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，電池模組的最高溫度和最大溫差同時(shí)達(dá)到最小值，分別為44.843 和0.783 ℃，此時(shí)的液相率為48.81%；EG 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，電池模組的最高溫度及最大溫差達(dá)到最大值，分別為49.679 和5.613 ℃，液相率為84.72%，CPCM 接近完全融化，不滿足散熱要求。4C放電時(shí)，EG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，電池模組的最高溫度和最大溫差同時(shí)達(dá)到最小值，分別為47.093 和2.632 ℃，液相率為77.95%，滿足散熱要求，溫度分布云圖如圖2(a)所示；當(dāng)EG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到20%時(shí)，液相率為94.61%，從溫度分布云圖[圖2(b)]能夠看出電池模組中間部分的相變材料已經(jīng)完全融化，處于相變散熱失效狀態(tài)，散熱性能降低，中心電池溫度急劇上升高達(dá)57.474 ℃，而模組邊緣的相變材料還未融化，相變材料仍然保持較好的散熱性能，可快速將電池組周邊熱量導(dǎo)出。由于電池模組中間位置和周邊位置相變材料散熱性能差異，導(dǎo)致溫差急劇上升至13.777 ℃；當(dāng)EG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升至30%，溫度分布云圖[圖2(c)]顯示相變材料已經(jīng)完全融化，處于完全失效狀態(tài)，電池組最高溫度急劇上升，高達(dá)70.111 ℃，此時(shí)，電池組各處的相變材料散熱能力變得接近，所以電池組溫差下降至4.836 ℃。

通過(guò)上述分析可知：選用12%膨脹石墨CPCM 散熱效果最佳。電池4C放電條件下，CPCM 的液相率為77.95%，液相率較高，為了進(jìn)一步提高模組的散熱性能，降低CPCM 的液相率，應(yīng)結(jié)合強(qiáng)制風(fēng)冷方式。

2.2 空氣流速對(duì)電池組充放電循環(huán)散熱性能的影響

選擇EG 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的CPCM 熱管理系統(tǒng)進(jìn)行仿真，設(shè)定環(huán)境溫度為32 ℃，充放電條件為連續(xù)兩周期1C充電/3C放電循環(huán)，當(dāng)空氣流速分別為0、1、3 和5 m/s 時(shí)研究CPCM 強(qiáng)制風(fēng)冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱性能。

仿真得到的不同空氣流速下電池組最高溫度、最大溫差及液相率變化曲線如圖4 所示，隨著空氣流速的增加，電池模組最高溫度及液相率減小。當(dāng)空氣流速為0 m/s 時(shí)，在一次充放電循環(huán)結(jié)束時(shí)，電池模組的最高溫度高達(dá)86.963 ℃，溫差為8.478 ℃，CPCM 完全融化；空氣流速為1 m/s 時(shí)，一次充放電結(jié)束時(shí)，電池模組的最高溫度為52.371 ℃，溫差為8.399 ℃，液相率為73.36%，相比空氣流速為0 m/s 時(shí)，電池模組的最高溫度、最大溫差及液相率都有所減小。當(dāng)空氣流速為3 m/s，兩次充放電結(jié)束之后，電池模組的最高溫度為44.735 ℃，溫差為1.086 ℃，液相率為48.64%，與1 m/s 時(shí)兩次充放電結(jié)束相比，電池模組的最高溫度、最大溫差以及液相率明顯減小，并且在充放電的不同時(shí)刻電池模組的最高溫度小于50 ℃，溫差小于5 ℃，滿足散熱要求?？諝饬魉贋? m/s時(shí)，在兩次充放電循環(huán)結(jié)束時(shí)，電池模組的最高溫度為44.614 ℃，溫差為2.965 ℃，液相率為30.15%，在充放電過(guò)程中雖然能將電池模組的最高溫度一直控制在50 ℃以下，但是在第二次充電過(guò)程中，電池模組的最大溫差大于5 ℃，不滿足散熱要求。

圖4 不同空氣流速下電池組最高溫度、最大溫差及液相率變化曲線圖

由以上分析可知，當(dāng)空氣流速較小時(shí)，在第一次充放電循環(huán)結(jié)束時(shí)，CPCM 材料完全融化，電池的最高溫度超過(guò)50 ℃；當(dāng)空氣流速增加至3 m/s 時(shí)，電池模組在兩次充放電循環(huán)過(guò)程中最高溫度及溫差始終在合適的工作范圍內(nèi)；而空氣流速升至5 m/s 時(shí)，電池模組的最大溫差大于5 ℃。

2.3 環(huán)境溫度對(duì)電池組散熱性能的影響

在空氣流速為3 m/s、EG 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的條件下，在2C、3C和4C放電倍率下，環(huán)境溫度對(duì)電池模組最高溫度、最大溫差及CPCM 液相率的影響曲線如圖5 所示。

由圖5 可知，電池模組的最高溫度及液相率隨著環(huán)境溫度和放電倍率的增加而增加。當(dāng)電池模組2C放電時(shí)，環(huán)境溫度從27 ℃增加到37 ℃，電池的最高溫度增加，液相率增加，溫差減小，當(dāng)環(huán)境溫度為27 ℃時(shí)，電池模組的最大溫差高于32 和37 ℃，為2.917 ℃；環(huán)境溫度為37 ℃時(shí)電池模組最高溫度為44.266 ℃，液相率為32.45%，高于27 和32 ℃。電池3C放電、環(huán)境溫度為37 ℃時(shí)，電池模組的最高溫度及液相率高于32和27 ℃，為44.879 ℃和53.14%，溫差為0.849 ℃。電池模組4C放電時(shí)，環(huán)境溫度從27 ℃增加到37 ℃時(shí)，電池模組的最高溫度、最大溫差、液相率隨之增加，當(dāng)環(huán)境溫度到達(dá)37 ℃時(shí)，電池模組的最高溫度為49.208 ℃，最大溫差為4.745 ℃，液相率為81.49%，模組可以滿足散熱要求。

圖5 環(huán)境溫度對(duì)電池模組最高溫度、最大溫差及CPCM 液相率的影響

通過(guò)上述分析可知：當(dāng)電池模組4C放電時(shí)，其最高溫度、最大溫差、液相率都隨環(huán)境溫度的增大而增大，并且在較高環(huán)境溫度、4C大電流放電條件下，該熱管理系統(tǒng)仍能將電池模組的最高溫度及最大溫差控制在適宜的工作范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

本文研究了膨脹石墨CPCM 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、充放電循環(huán)及環(huán)境溫度對(duì)電池模組最高溫度、溫差及CPCM 液相率的影響規(guī)律。當(dāng)環(huán)境溫度為32 ℃、4C放電時(shí)，EG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～12%滿足散熱要求，當(dāng)EG 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，電池模組的最高溫度及溫差同時(shí)達(dá)到最低值，散熱效果最佳。當(dāng)環(huán)境溫度為32 ℃，對(duì)電池模組進(jìn)行連續(xù)1C充電/3C放電充放電循環(huán)時(shí)，在兩次充放電循環(huán)過(guò)程中，空氣流速為3 m/s 時(shí)，每一個(gè)時(shí)刻都能將電池模組的最高溫度及溫差控制在合適的工作范圍內(nèi)。對(duì)于12%膨脹石墨CPCM，當(dāng)空氣流速為3 m/s，在環(huán)境溫度37 ℃、4C放電條件下，該散熱系統(tǒng)能將電池模組的最高溫度控制在50 ℃以內(nèi)，溫差控制在5 ℃以下。