微型管道與相變材料結(jié)合的鋰離子電池?zé)峁芾?/h1>
2022-03-30 03:35:54尚文斌張峻霞朱曰瑩付弘歷
電源技術(shù) 2022年3期
尚文斌，張峻霞，朱曰瑩，付弘歷
(1.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300222)
隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，電動車輛在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用越來越廣泛，其清潔環(huán)保以及運(yùn)營成本低的優(yōu)勢符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[1]。鋰離子電池由于可循環(huán)次數(shù)多、能量密度高以及環(huán)境友好型的特點(diǎn)被逐漸應(yīng)用于電動車輛。但鋰離子電池在長時間使用下的熱量積聚和溫度分布不均問題直接影響電動車輛的使用安全。因此，良好的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)是提高電動車輛動力電池性能的有效方式[2]。
目前使用最廣泛的電動車輛動力電池的冷卻方式有空氣冷卻、液體冷卻、PCM 相變冷卻三種[3]。電動車輛在進(jìn)行大功率田間作業(yè)時，傳統(tǒng)強(qiáng)制風(fēng)冷換熱能力有限，無法滿足動力電池的散熱需求。液體冷卻可以通過不同的通道設(shè)計提供更有效的熱傳遞，發(fā)揮流體熱導(dǎo)率高的優(yōu)勢。Jarrett A 設(shè)計了一種蛇形管道液冷板為薄片電池散熱，改變液冷板的路徑對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該設(shè)計可以控制電池溫度在40 ℃以下，但是電池表面溫差較大[4]。而PCM 可以利用潛熱作用進(jìn)行吸收或釋放能量。Rao Z 在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中加入PCM 進(jìn)行試驗和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)電池表面溫度分布受到PCM 相變溫度的影響，增加PCM 的熱導(dǎo)率可以有效控制電池表面最高溫度[5]。
本文針對鋰離子電池放電過程中溫度過高以及分布一致性較差的問題，設(shè)計了一種微型管道和PCM 相結(jié)合的電池冷卻系統(tǒng)，通過研究分析微型管道數(shù)、冷卻液流量以及PCM的相變溫度和熱導(dǎo)率對鋰離子電池放電時溫度分布的影響，提出較優(yōu)的鋰離子電池冷卻方案。
1 物理模型
1.1 電池模型
選用某方型磷酸鐵鋰動力電池作為研究對象，尺寸為173 mm×47 mm×168 mm，容量為130 Ah。如圖1(a)，單體電池簡化為方型池體以及正負(fù)極三部分，同時假設(shè)熱物性參數(shù)不受電池溫度和電池SOC狀態(tài)的影響[6]。液冷板(鋁板)夾在單體電池(cell1 和cell2)的中間，其幾何尺寸如圖1(b)所示，微型管道以及壁厚的尺寸為d1=d2=6 mm，內(nèi)部尺寸d3=d4=d5=d6。電池產(chǎn)生的熱量通過液冷板中的水進(jìn)行冷卻，本文需將鋰離子電池的最高溫度控制在40 ℃以下，最大溫差控制在5 ℃以內(nèi)。使用以上設(shè)計的液冷板主要討論1.5C放電倍率下電池表面最高溫度以及電池表面溫差的變化。
圖1 鋰離子電池和液冷板
1.2 電池生熱模型
鋰離子電池生熱功率Qb基于Bernardi 等建立的電池生熱功率估算模型進(jìn)行計算[7]：
式中：I為通過電池的電流；U為電池的電壓；T為電池的溫度；UOC為開路電壓為開路電壓隨溫度變化的影響系數(shù)。
通過以上公式計算出鋰離子電池在1.5C倍率放電下的生熱功率為29.66 W。
1.3 初始條件和邊界條件
鋰離子電池的初始溫度，液冷板和冷卻液的初始溫度均設(shè)定為環(huán)境溫度30 ℃。冷卻液進(jìn)口設(shè)置為流量入口且溫度恒定，出口設(shè)置為壓力出口。不考慮界面處的熱輻射和液冷板與電池之間的接觸熱阻，微型管道的內(nèi)表面設(shè)置為零滑移邊界條件。電動車輛上的鋰離子電池通常封裝成電池包的形式，其周圍在未安裝風(fēng)扇的情況下對流冷卻較小，因此電池模型與外界的對流換熱系數(shù)設(shè)置為5 W/(m·K)。鋰離子電池在1.5C放電倍率下仿真1 800 s，步長設(shè)置為默認(rèn)。
2 結(jié)果與分析
2.1 微型管道數(shù)量對電池表面溫度分布的影響
選擇微型管道數(shù)由2 增加到7 來研究其對電池溫度分布的影響，液冷板如圖2。冷卻液入口流量設(shè)置為1×10－3kg/s，其他初始條件和邊界條件已經(jīng)在1.3 小節(jié)中給出，仿真1 800 s所得電池表面最高溫度和最大溫差如圖3 所示。
圖2 不同微型管道數(shù)的液冷板
圖3 不同微型管道數(shù)下的電池表面最高溫度和最大溫差
由圖3(a)可見，電池表面最高溫度隨著冷卻系統(tǒng)微型管道數(shù)的增加而減小。微型管道數(shù)為7 時的電池表面最高溫度為45.7 ℃，相比微型管道數(shù)為2 時的47.8 ℃減小了2.1 ℃；但是相比微型管道數(shù)為5 時的45.9 ℃僅減小了0.2 ℃。由圖3(b)可見，增加微型管道數(shù)可以降低電池的表面溫差。當(dāng)微型管道數(shù)從2 增加到5 時，電池表面最大溫差從8.1 ℃下降到6.2 ℃；而微型管道數(shù)繼續(xù)增加到7 時，電池表面最大溫差僅下降至6 ℃。由于靠近微型管道入口的溫度是電池的最低溫度，且在放電過程中變化較小，而靠近微型管道出口的溫度是電池的最高溫度，冷卻水逐漸被加熱導(dǎo)致放電過程中電池的最高溫度變化較大，因此電池表面最高溫度和最大溫差的走勢基本相同。
以上分析結(jié)果表明，增加微型管道數(shù)使傳熱接觸面分布更均勻，一定程度上降低電池最高溫度和最大溫差，但當(dāng)微型管道數(shù)為5 時，繼續(xù)增加微型管道數(shù)對電池表面最高溫度和最大溫差的影響不再顯著，考慮到液冷板的成本問題，微型管道數(shù)為5 的液冷板將用于以下研究。
2.2 冷卻液流量對電池表面溫度分布的影響
選擇冷卻液流量的調(diào)節(jié)范圍為1×10－4～2×10－3kg/s，每次調(diào)節(jié)的步進(jìn)均為2×10－4kg/s，其他邊界條件和初始條件均保持不變，仿真1 800 s 所得電池表面最高溫度和最大溫差如圖4 所示。
圖4 不同冷卻液流量下的電池表面最高溫度和最大溫差
由圖4 可見，增加冷卻液流量可使電池表面最高溫度減小，但電池表面溫差逐漸增大。冷卻液流量為1×10－4kg/s時，電池表面最高溫度為53.1 ℃，電池表面最大溫差為3.4 ℃；當(dāng)冷卻液流量增加至1.5×10－3kg/s 時，電池表面最高溫度下降至44.3 ℃，最大溫差為7.6 ℃；當(dāng)冷卻液流量超過1.5×10－3kg/s 時，由于冷卻系統(tǒng)的導(dǎo)熱能力已經(jīng)接近于飽和狀態(tài)，因此電池表面最高溫度的變化不再明顯。另外，冷卻液流量超過1×10－4kg/s 時的電池表面最大溫差已經(jīng)超出5 ℃，溫度分布一致性較差，這將導(dǎo)致電池包熱量積聚和使用壽命下降。優(yōu)先考慮電池表面最高溫度的要求，使用冷卻液流量為1.5×10－3kg/s 進(jìn)行后續(xù)研究。
2.3 相變材料對電池溫度分布的影響
由上一小節(jié)的分析可知，冷卻液的傳熱性能達(dá)到飽和后繼續(xù)增加流量對減小電池表面最高溫度的收益不大，電池表面溫差一致性較差。為進(jìn)一步控制電池表面最高溫度和溫差，設(shè)計了一種新的微型管道與相變材料結(jié)合的液冷板如圖5，液冷板使用相變材料，微型管道尺寸不變，微型管道通過厚度為1 mm 的鋁制材料將冷卻液和相變材料分離。電池放電產(chǎn)生的熱量通過相變材料、微型管道以及冷卻液進(jìn)行傳遞。本節(jié)主要研究PCM 相變溫度和熱導(dǎo)率對鋰離子電池放電時表面溫度分布的影響，選擇微型管道數(shù)為5；冷卻液流量為1.5×10－3kg/s；PCM 的相變溫度選擇為308.15、313.15 和318.15 K；PCM 的熱導(dǎo)率選擇為0.2、0.6、0.8、1 和2 W/(m·K)。
圖5 微型管道和相變材料相結(jié)合的液冷板
2.3.1 PCM 相變溫度對電池表面溫度分布的影響
3 種不同相變溫度情況下，電池仿真1 800 s 所得表面最高溫度、最大溫差以及相變材料液體體積分?jǐn)?shù)曲線圖如圖6，本小節(jié)使用的相變材料熱導(dǎo)率均設(shè)置為0.2 W/(m·K)。由圖6(a)可見，電池表面最高溫度隨著PCM 相變溫度的升高而升高。PCM 相變溫度為313.15 K 時電池表面最高溫度為44.73 ℃，而PCM 相變溫度為308.15 K 時電池表面最高溫度下降到43.43 ℃。這是因為當(dāng)電池放電時間為500 s 時優(yōu)先達(dá)到相變溫度為308.15 K 的相變條件，PCM 通過潛熱作用吸收更多的熱量使電池表面溫度降低；放電時間為1 000 s 時相變溫度為313.15 K 的冷卻系統(tǒng)發(fā)揮作用；而相變溫度為318.15 K 時電池表面最高溫度為46.66 ℃，PCM 在接近放電時間結(jié)束時才開始融化，潛熱作用不明顯。
由圖6(b)和(c)可見，使用相變溫度為308.15、313.15 和318.15 K 的冷卻系統(tǒng)放電結(jié)束時電池表面溫差分別為2.3、2.0和2.4 ℃，電池溫差均小于5 ℃；相變材料液體體積分?jǐn)?shù)分別為53.31%、23.98%和2.08%。從降低電池最高溫度的角度考慮，使用308.15 K 時的液冷板性能較好。
圖6 不同相變溫度下電池表面最高溫度、最大溫差和PCM 液體體積分?jǐn)?shù)
2.3.2 PCM 熱導(dǎo)率對電池表面溫度分布的影響
5 種不同熱導(dǎo)率PCM 冷卻條件下，電池仿真1 800 s 得到的表面最高溫度、最大溫差以及相變材料液體體積分?jǐn)?shù)曲線如圖7 所示，PCM 相變溫度均設(shè)置為308.15 K。從圖7(a)中可以看出，增加PCM 的熱導(dǎo)率可以有效控制電池表面最高溫度。當(dāng)熱導(dǎo)率為0.2 W/(m·K)時，電池表面最高溫度為43.47 ℃；當(dāng)熱導(dǎo)率高于0.6 W/(m·K)時，電池表面最高溫度均低于40 ℃。
同時由圖7(b)可見，使用不同熱導(dǎo)率PCM 時電池表面溫差的變化趨勢是一致的，即先急速上升后下降最后平穩(wěn)上升。由于電池放電前期熱量只能通過冷卻液進(jìn)行傳遞，導(dǎo)致電池表面最高溫度增大、最大溫差上升；當(dāng)電池表面溫度達(dá)到相變材料相變溫度后，PCM 的潛熱作用開始生效，電池表面最高溫度的升高速率減小、最大溫差下降；電池放電后期PCM 融化的速率逐漸均勻，電池產(chǎn)生的熱量通過潛熱作用被持續(xù)帶走，電池表面最低溫度隨之減小，溫差平穩(wěn)上升。
圖7 不同熱導(dǎo)率下電池表面最高溫度、最大溫差和PCM液體體積分?jǐn)?shù)
PCM 的熱導(dǎo)率為0.6 W/(m·K)時，仿真1 800 s后所得鋰離子電池溫度云圖如圖8。電池表面最高溫度為39.56 ℃，最大溫差為2.71 ℃，相變材料的液體體積分?jǐn)?shù)為66.95%，電池溫度一致性較優(yōu)。但繼續(xù)增加PCM 的熱導(dǎo)率對電池表面最高溫度的減小不再明顯，而且電池表面溫差將繼續(xù)增大。因此，熱導(dǎo)率為0.6 W/(m·K)的相變材料為電池冷卻的最佳選擇。
圖8 熱導(dǎo)率為0.6 W/(m·K)下的電池溫度分布云圖
3 結(jié)論
本文同時考慮液體冷卻實(shí)現(xiàn)最高溫度的控制和相變材料冷卻產(chǎn)生最均勻的溫度分布的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計了一種新的微型管道和相變材料相結(jié)合的液冷板，使用數(shù)值模擬的方法研究了微型管道數(shù)、冷卻液流量以及PCM 的相變溫度和熱導(dǎo)率對電池表面最高溫度和最大溫差的影響。得出如下結(jié)論：
(1)電池表面最高溫度隨著微型管道數(shù)和冷卻液流量的增加而減小。選擇微型管道數(shù)為5、冷卻液流量大小為1.5×10－3kg/s 時的方案較優(yōu)，電池表面最高溫度為44.3 ℃，最大溫差為7.6 ℃，液冷方式接近飽和，繼續(xù)增加微型管道數(shù)和冷卻液流量對減小電池表面最高溫度收益不大，而且會增加電池表面溫差。
(2)PCM 可以通過潛熱作用吸收熱量從而降低電池表面最高溫度，但要優(yōu)先考慮使用相變溫度低的PCM 使得電池放電時能夠盡快獲得潛熱的優(yōu)勢。
(3)增加PCM 的導(dǎo)熱速率可以有效降低電池表面最高溫度，但同時會增加電池表面溫差，因此需要衡量選取PCM 的材料屬性。當(dāng)相變材料的相變溫度為308.15 K、熱導(dǎo)率為0.6 W/(m·K)時，電池仿真結(jié)束后表面最高溫度為39.56 ℃，最大溫差為2.71 ℃，電池溫度分布一致性良好，滿足本次設(shè)計的目的。
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隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，電動車輛在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用越來越廣泛，其清潔環(huán)保以及運(yùn)營成本低的優(yōu)勢符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[1]。鋰離子電池由于可循環(huán)次數(shù)多、能量密度高以及環(huán)境友好型的特點(diǎn)被逐漸應(yīng)用于電動車輛。但鋰離子電池在長時間使用下的熱量積聚和溫度分布不均問題直接影響電動車輛的使用安全。因此，良好的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)是提高電動車輛動力電池性能的有效方式[2]。
目前使用最廣泛的電動車輛動力電池的冷卻方式有空氣冷卻、液體冷卻、PCM 相變冷卻三種[3]。電動車輛在進(jìn)行大功率田間作業(yè)時，傳統(tǒng)強(qiáng)制風(fēng)冷換熱能力有限，無法滿足動力電池的散熱需求。液體冷卻可以通過不同的通道設(shè)計提供更有效的熱傳遞，發(fā)揮流體熱導(dǎo)率高的優(yōu)勢。Jarrett A 設(shè)計了一種蛇形管道液冷板為薄片電池散熱，改變液冷板的路徑對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該設(shè)計可以控制電池溫度在40 ℃以下，但是電池表面溫差較大[4]。而PCM 可以利用潛熱作用進(jìn)行吸收或釋放能量。Rao Z 在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中加入PCM 進(jìn)行試驗和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)電池表面溫度分布受到PCM 相變溫度的影響，增加PCM 的熱導(dǎo)率可以有效控制電池表面最高溫度[5]。
本文針對鋰離子電池放電過程中溫度過高以及分布一致性較差的問題，設(shè)計了一種微型管道和PCM 相結(jié)合的電池冷卻系統(tǒng)，通過研究分析微型管道數(shù)、冷卻液流量以及PCM的相變溫度和熱導(dǎo)率對鋰離子電池放電時溫度分布的影響，提出較優(yōu)的鋰離子電池冷卻方案。
1 物理模型
1.1 電池模型
選用某方型磷酸鐵鋰動力電池作為研究對象，尺寸為173 mm×47 mm×168 mm，容量為130 Ah。如圖1(a)，單體電池簡化為方型池體以及正負(fù)極三部分，同時假設(shè)熱物性參數(shù)不受電池溫度和電池SOC狀態(tài)的影響[6]。液冷板(鋁板)夾在單體電池(cell1 和cell2)的中間，其幾何尺寸如圖1(b)所示，微型管道以及壁厚的尺寸為d1=d2=6 mm，內(nèi)部尺寸d3=d4=d5=d6。電池產(chǎn)生的熱量通過液冷板中的水進(jìn)行冷卻，本文需將鋰離子電池的最高溫度控制在40 ℃以下，最大溫差控制在5 ℃以內(nèi)。使用以上設(shè)計的液冷板主要討論1.5C放電倍率下電池表面最高溫度以及電池表面溫差的變化。
圖1 鋰離子電池和液冷板
1.2 電池生熱模型
鋰離子電池生熱功率Qb基于Bernardi 等建立的電池生熱功率估算模型進(jìn)行計算[7]：
式中：I為通過電池的電流；U為電池的電壓；T為電池的溫度；UOC為開路電壓為開路電壓隨溫度變化的影響系數(shù)。
通過以上公式計算出鋰離子電池在1.5C倍率放電下的生熱功率為29.66 W。
1.3 初始條件和邊界條件
鋰離子電池的初始溫度，液冷板和冷卻液的初始溫度均設(shè)定為環(huán)境溫度30 ℃。冷卻液進(jìn)口設(shè)置為流量入口且溫度恒定，出口設(shè)置為壓力出口。不考慮界面處的熱輻射和液冷板與電池之間的接觸熱阻，微型管道的內(nèi)表面設(shè)置為零滑移邊界條件。電動車輛上的鋰離子電池通常封裝成電池包的形式，其周圍在未安裝風(fēng)扇的情況下對流冷卻較小，因此電池模型與外界的對流換熱系數(shù)設(shè)置為5 W/(m·K)。鋰離子電池在1.5C放電倍率下仿真1 800 s，步長設(shè)置為默認(rèn)。
2 結(jié)果與分析
2.1 微型管道數(shù)量對電池表面溫度分布的影響
選擇微型管道數(shù)由2 增加到7 來研究其對電池溫度分布的影響，液冷板如圖2。冷卻液入口流量設(shè)置為1×10－3kg/s，其他初始條件和邊界條件已經(jīng)在1.3 小節(jié)中給出，仿真1 800 s所得電池表面最高溫度和最大溫差如圖3 所示。
圖2 不同微型管道數(shù)的液冷板
圖3 不同微型管道數(shù)下的電池表面最高溫度和最大溫差
由圖3(a)可見，電池表面最高溫度隨著冷卻系統(tǒng)微型管道數(shù)的增加而減小。微型管道數(shù)為7 時的電池表面最高溫度為45.7 ℃，相比微型管道數(shù)為2 時的47.8 ℃減小了2.1 ℃；但是相比微型管道數(shù)為5 時的45.9 ℃僅減小了0.2 ℃。由圖3(b)可見，增加微型管道數(shù)可以降低電池的表面溫差。當(dāng)微型管道數(shù)從2 增加到5 時，電池表面最大溫差從8.1 ℃下降到6.2 ℃；而微型管道數(shù)繼續(xù)增加到7 時，電池表面最大溫差僅下降至6 ℃。由于靠近微型管道入口的溫度是電池的最低溫度，且在放電過程中變化較小，而靠近微型管道出口的溫度是電池的最高溫度，冷卻水逐漸被加熱導(dǎo)致放電過程中電池的最高溫度變化較大，因此電池表面最高溫度和最大溫差的走勢基本相同。
以上分析結(jié)果表明，增加微型管道數(shù)使傳熱接觸面分布更均勻，一定程度上降低電池最高溫度和最大溫差，但當(dāng)微型管道數(shù)為5 時，繼續(xù)增加微型管道數(shù)對電池表面最高溫度和最大溫差的影響不再顯著，考慮到液冷板的成本問題，微型管道數(shù)為5 的液冷板將用于以下研究。
2.2 冷卻液流量對電池表面溫度分布的影響
選擇冷卻液流量的調(diào)節(jié)范圍為1×10－4～2×10－3kg/s，每次調(diào)節(jié)的步進(jìn)均為2×10－4kg/s，其他邊界條件和初始條件均保持不變，仿真1 800 s 所得電池表面最高溫度和最大溫差如圖4 所示。
圖4 不同冷卻液流量下的電池表面最高溫度和最大溫差
由圖4 可見，增加冷卻液流量可使電池表面最高溫度減小，但電池表面溫差逐漸增大。冷卻液流量為1×10－4kg/s時，電池表面最高溫度為53.1 ℃，電池表面最大溫差為3.4 ℃；當(dāng)冷卻液流量增加至1.5×10－3kg/s 時，電池表面最高溫度下降至44.3 ℃，最大溫差為7.6 ℃；當(dāng)冷卻液流量超過1.5×10－3kg/s 時，由于冷卻系統(tǒng)的導(dǎo)熱能力已經(jīng)接近于飽和狀態(tài)，因此電池表面最高溫度的變化不再明顯。另外，冷卻液流量超過1×10－4kg/s 時的電池表面最大溫差已經(jīng)超出5 ℃，溫度分布一致性較差，這將導(dǎo)致電池包熱量積聚和使用壽命下降。優(yōu)先考慮電池表面最高溫度的要求，使用冷卻液流量為1.5×10－3kg/s 進(jìn)行后續(xù)研究。
2.3 相變材料對電池溫度分布的影響
由上一小節(jié)的分析可知，冷卻液的傳熱性能達(dá)到飽和后繼續(xù)增加流量對減小電池表面最高溫度的收益不大，電池表面溫差一致性較差。為進(jìn)一步控制電池表面最高溫度和溫差，設(shè)計了一種新的微型管道與相變材料結(jié)合的液冷板如圖5，液冷板使用相變材料，微型管道尺寸不變，微型管道通過厚度為1 mm 的鋁制材料將冷卻液和相變材料分離。電池放電產(chǎn)生的熱量通過相變材料、微型管道以及冷卻液進(jìn)行傳遞。本節(jié)主要研究PCM 相變溫度和熱導(dǎo)率對鋰離子電池放電時表面溫度分布的影響，選擇微型管道數(shù)為5；冷卻液流量為1.5×10－3kg/s；PCM 的相變溫度選擇為308.15、313.15 和318.15 K；PCM 的熱導(dǎo)率選擇為0.2、0.6、0.8、1 和2 W/(m·K)。
圖5 微型管道和相變材料相結(jié)合的液冷板
2.3.1 PCM 相變溫度對電池表面溫度分布的影響
3 種不同相變溫度情況下，電池仿真1 800 s 所得表面最高溫度、最大溫差以及相變材料液體體積分?jǐn)?shù)曲線圖如圖6，本小節(jié)使用的相變材料熱導(dǎo)率均設(shè)置為0.2 W/(m·K)。由圖6(a)可見，電池表面最高溫度隨著PCM 相變溫度的升高而升高。PCM 相變溫度為313.15 K 時電池表面最高溫度為44.73 ℃，而PCM 相變溫度為308.15 K 時電池表面最高溫度下降到43.43 ℃。這是因為當(dāng)電池放電時間為500 s 時優(yōu)先達(dá)到相變溫度為308.15 K 的相變條件，PCM 通過潛熱作用吸收更多的熱量使電池表面溫度降低；放電時間為1 000 s 時相變溫度為313.15 K 的冷卻系統(tǒng)發(fā)揮作用；而相變溫度為318.15 K 時電池表面最高溫度為46.66 ℃，PCM 在接近放電時間結(jié)束時才開始融化，潛熱作用不明顯。
由圖6(b)和(c)可見，使用相變溫度為308.15、313.15 和318.15 K 的冷卻系統(tǒng)放電結(jié)束時電池表面溫差分別為2.3、2.0和2.4 ℃，電池溫差均小于5 ℃；相變材料液體體積分?jǐn)?shù)分別為53.31%、23.98%和2.08%。從降低電池最高溫度的角度考慮，使用308.15 K 時的液冷板性能較好。
圖6 不同相變溫度下電池表面最高溫度、最大溫差和PCM 液體體積分?jǐn)?shù)
2.3.2 PCM 熱導(dǎo)率對電池表面溫度分布的影響
5 種不同熱導(dǎo)率PCM 冷卻條件下，電池仿真1 800 s 得到的表面最高溫度、最大溫差以及相變材料液體體積分?jǐn)?shù)曲線如圖7 所示，PCM 相變溫度均設(shè)置為308.15 K。從圖7(a)中可以看出，增加PCM 的熱導(dǎo)率可以有效控制電池表面最高溫度。當(dāng)熱導(dǎo)率為0.2 W/(m·K)時，電池表面最高溫度為43.47 ℃；當(dāng)熱導(dǎo)率高于0.6 W/(m·K)時，電池表面最高溫度均低于40 ℃。
同時由圖7(b)可見，使用不同熱導(dǎo)率PCM 時電池表面溫差的變化趨勢是一致的，即先急速上升后下降最后平穩(wěn)上升。由于電池放電前期熱量只能通過冷卻液進(jìn)行傳遞，導(dǎo)致電池表面最高溫度增大、最大溫差上升；當(dāng)電池表面溫度達(dá)到相變材料相變溫度后，PCM 的潛熱作用開始生效，電池表面最高溫度的升高速率減小、最大溫差下降；電池放電后期PCM 融化的速率逐漸均勻，電池產(chǎn)生的熱量通過潛熱作用被持續(xù)帶走，電池表面最低溫度隨之減小，溫差平穩(wěn)上升。
圖7 不同熱導(dǎo)率下電池表面最高溫度、最大溫差和PCM液體體積分?jǐn)?shù)
PCM 的熱導(dǎo)率為0.6 W/(m·K)時，仿真1 800 s后所得鋰離子電池溫度云圖如圖8。電池表面最高溫度為39.56 ℃，最大溫差為2.71 ℃，相變材料的液體體積分?jǐn)?shù)為66.95%，電池溫度一致性較優(yōu)。但繼續(xù)增加PCM 的熱導(dǎo)率對電池表面最高溫度的減小不再明顯，而且電池表面溫差將繼續(xù)增大。因此，熱導(dǎo)率為0.6 W/(m·K)的相變材料為電池冷卻的最佳選擇。
圖8 熱導(dǎo)率為0.6 W/(m·K)下的電池溫度分布云圖
3 結(jié)論
本文同時考慮液體冷卻實(shí)現(xiàn)最高溫度的控制和相變材料冷卻產(chǎn)生最均勻的溫度分布的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計了一種新的微型管道和相變材料相結(jié)合的液冷板，使用數(shù)值模擬的方法研究了微型管道數(shù)、冷卻液流量以及PCM 的相變溫度和熱導(dǎo)率對電池表面最高溫度和最大溫差的影響。得出如下結(jié)論：
(1)電池表面最高溫度隨著微型管道數(shù)和冷卻液流量的增加而減小。選擇微型管道數(shù)為5、冷卻液流量大小為1.5×10－3kg/s 時的方案較優(yōu)，電池表面最高溫度為44.3 ℃，最大溫差為7.6 ℃，液冷方式接近飽和，繼續(xù)增加微型管道數(shù)和冷卻液流量對減小電池表面最高溫度收益不大，而且會增加電池表面溫差。
(2)PCM 可以通過潛熱作用吸收熱量從而降低電池表面最高溫度，但要優(yōu)先考慮使用相變溫度低的PCM 使得電池放電時能夠盡快獲得潛熱的優(yōu)勢。
(3)增加PCM 的導(dǎo)熱速率可以有效降低電池表面最高溫度，但同時會增加電池表面溫差，因此需要衡量選取PCM 的材料屬性。當(dāng)相變材料的相變溫度為308.15 K、熱導(dǎo)率為0.6 W/(m·K)時，電池仿真結(jié)束后表面最高溫度為39.56 ℃，最大溫差為2.71 ℃，電池溫度分布一致性良好，滿足本次設(shè)計的目的。
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