相變材料在電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘要

動(dòng)力電池是新能源汽車(chē)的核心部件之一，其可靠性、安全性等性能影響著新能源汽車(chē)的發(fā)展，電池?zé)峁芾碓陔妱?dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中的重要性不言而喻。

文章在傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中將風(fēng)冷和液冷轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘧儾牧侠鋮s，利用相變材料潛熱特性，并且單獨(dú)對(duì)每個(gè)單體電池形成熱管理系統(tǒng)，有利于控制電池包中單體電池間的溫度一致性，也能解決單體電池在組裝成電池包后實(shí)際工作溫度與其最佳溫度存在差異性問(wèn)題，同時(shí)可根據(jù)對(duì)電池包的需要，將單體電池拼裝成指定需要容量的電池包，提高電池包的工作安全性。

引言

隨著純電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)， 車(chē)用動(dòng)力電池的熱管理問(wèn)題也日益凸顯， 動(dòng)力電池工作的最高溫度和最低溫度在0~40℃較為適宜， 在20~30℃范圍是其最佳的工作溫度， 且電池模組之間的溫度差不超過(guò)5℃， 這樣才能夠保證動(dòng)力電池高效的放電性能， 同時(shí)具備較高的安全性。

本文首先介紹相變材料的特性， 然后建立一種帶有相變材料的電池模型， 利用仿真軟件分析對(duì)比相變材料冷卻和自然風(fēng)冷條件下動(dòng)力電池的散熱情況， 從而建立一種有效的含有相變材料的電池散熱模型。

相變材料電池模型的建立

隨著純電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)， 車(chē)用動(dòng)力電池的熱管理問(wèn)題也日益凸顯， 動(dòng)力電池工作的最高溫度和最低溫度在0~40℃較為適宜， 在20~30℃范圍是其最佳的工作溫度，且電池模組之間的溫度差不超過(guò)5℃，這樣才能夠保證動(dòng)力電池高效的放電性能， 同時(shí)具備較高的安全性。

本文首先介紹相變材料的特性，然后建立一種帶有相變材料的電池模型， 利用仿真軟件分析對(duì)比相變材料冷卻和自然風(fēng)冷條件下動(dòng)力電池的散熱情況，從而建立一種有效的含有相變材料的電池散熱模型。

再將微膠囊固定封裝填入到單體電池安裝模塊中， 此相變材料的導(dǎo)熱率為0.365W/（m·K），密度為0.856g/cm3，固液相變溫度為30℃。

含有相變材料的18650單體電池外觀如圖1所示。

帶 有 PCM 的 動(dòng) 力 電 池 模 組 包 括PCM外殼和10個(gè)動(dòng)力電池單體。

此動(dòng)力電池模組由10個(gè)單體電池串聯(lián)組成，之間通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)相連接。

基于CFD中的壓力算法及熔化/凝固模型， 利用仿真軟件對(duì)比自然風(fēng)冷和PCM對(duì)動(dòng)力電池的散熱效果。

對(duì)PCM作出如下假設(shè)：①PCM在 吸 放熱過(guò)程中密度不改變；②PCM在相變過(guò)程中 其 比 熱容和導(dǎo)熱率保持恒定；③PCM在各項(xiàng)參數(shù)保 持 均 勻統(tǒng)一性。

PCM電池模組剖面如圖2所示。

電池特性參數(shù)與模擬條件

所用動(dòng)力電池單體為某款18650電池， 容量為1.8Ah，內(nèi)阻為65mΩ， 質(zhì)量為45g，比熱容為870kJ/（kg·K）， 電池模塊由10塊電池單體串聯(lián)而成， 單體間的間隔為2個(gè)電池單體安裝模塊安裝后的距離， 此處設(shè)定為10mm。

假設(shè)此動(dòng)力電池模組在環(huán)境溫度25℃下以3C放電倍率放電， 那么放電時(shí)間最多為1200s， 軟件模擬仿真放電結(jié)束電池模塊溫度場(chǎng)分布， 同時(shí)記錄在此放電過(guò)程中隨著時(shí)間電池模塊最高溫度的變化。

仿真模擬結(jié)果分析

圖3為電池模組以3C放電倍率在環(huán)境溫度為25℃自然風(fēng)冷條件下的溫度場(chǎng)， 電池模組最高溫度為66.9853℃， 最低溫度為27.7178℃。

根據(jù)動(dòng)力電池對(duì)溫度的最適宜范圍要求， 此自然風(fēng)冷狀態(tài)下電池模組的最高溫度已超出電池最適宜工作溫度18~45℃范 圍，最高溫度與最低溫度之差39.2675℃亦遠(yuǎn)超出電池溫度一致性5℃溫度范圍， 同時(shí)由于電池單體之間亦存在熱交換，使得電池模組中單體電池溫度相互影響。

自然風(fēng)冷的散熱效率低下， 在電池大倍率放電時(shí)很難將電池的熱量散發(fā)帶走。

圖4為電池模組以3C放電倍率在環(huán)境溫度為25℃包含PCM的單體電池外殼模塊下的溫度場(chǎng)， 電池模組最高溫度為30.2281℃， 最低溫度為26.2031℃，最大溫差為4.0250℃，整個(gè)電池模組的最高溫度和溫度一致性均滿(mǎn)足動(dòng)力電池溫度的最適宜工作范圍。

此外， 在PCM的吸熱作用下， 電池單體間的熱量基本上不發(fā)生熱量的傳遞， 能更好保證電池模組的溫度一致性要求。

此電池外殼安裝模塊中包含PCM， 此種PCM的相變溫度范圍為30℃， PCM在與電池接觸的局部溫度達(dá)到30℃時(shí)，已到達(dá)相變材料的熔點(diǎn)， 此時(shí)相變材料開(kāi)始發(fā)生相變吸收電池的熱量， 使得電池的最高溫度保持在30℃左右。

兩種散熱方式下電池組最高溫度如圖5所示， 即有PCM電池安裝模塊下和無(wú)PCM自然風(fēng)冷下電池模組中最高溫度隨放電時(shí)間變化的對(duì)比。

從圖5的電池最高溫度上升趨勢(shì)圖對(duì)比可以看出，電池由于持續(xù)放電產(chǎn)生熱量積累溫度逐漸升高。

自然風(fēng)冷條件下，在持續(xù)放電進(jìn)行到600s時(shí)，電池最高溫度已達(dá)45℃以上，超出電池的工作安全溫度。

而用裝有PCM的電池安裝模塊的電池模組的最高溫度在600s以后就趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在這之前由于PCM處于固態(tài)狀態(tài)只能依靠顯熱來(lái)對(duì)電池進(jìn)行冷卻，冷卻效率不夠高，但是比自然風(fēng)冷的效果稍好。

當(dāng)電池局部最高溫度達(dá)到30℃時(shí)，與之相接觸的PCM開(kāi)始發(fā)生固液相變，以潛熱的形式將電池的溫度吸收，達(dá)到快速冷卻電池的目的。

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池開(kāi)始放電后，由于電池溫度不斷上升，與電池相接觸的PCM在吸收熱量的同時(shí)自身的物理狀態(tài)也發(fā)生著改變。

在當(dāng)電池模組以3C放電倍率持續(xù)放電至600s之前，電池的溫度低于30℃，此時(shí)PCM處于固態(tài)，依靠顯熱來(lái)給予電池降溫，這一過(guò)程中PCM發(fā)生著固-固相變，只是PCM內(nèi)部的結(jié)構(gòu)改變，潛熱小。

當(dāng)持續(xù)放電至600s以后，電池的局部溫度已經(jīng)達(dá)到30℃，與之相接觸的那一部分PCM開(kāi)始發(fā)生固液相變，此時(shí)PCM的溫度、體積變化小，潛熱大，冷卻效果好。

由于PCM發(fā)生固-氣、液-氣相變時(shí)體積變化大，空間需求高，故在實(shí)際應(yīng)用中不切合實(shí)際。

相變材料在動(dòng)力電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于上述情況，可以將含有PCM的微膠囊應(yīng)用于動(dòng)力電池的熱管理中。

此微膠囊將相變材料包裹在其內(nèi)部，用固態(tài)PCM封裝技術(shù)分散成球形小顆粒，再在表面封裝一層性能穩(wěn)定的殼材，即得到相變材料微膠囊，每個(gè)微膠囊中包含的相變材料為1g。

此種相變材料的相關(guān)物理性質(zhì)為:導(dǎo)熱率為0.365W/(m·K)，密度為0.856g/cm，固液相變溫度為30℃，其吸熱相變潛熱為128.5kJg，放熱相變潛熱為125.2kJ/kg。

上文中由于每個(gè)單體18650電池都安裝在包含有PCM的外殼模塊中，所以每個(gè)單體18650電池之間發(fā)生的熱擴(kuò)散可忽略不計(jì)。

此款18650電池容量為1.8Ah:那么以3C放電倍率放電時(shí)，放電電流為5.4A，放電時(shí)間為1200s。當(dāng)電池以大電流放電時(shí)，電池中產(chǎn)生的反應(yīng)熱較少，可忽略不計(jì)，主要熱量來(lái)源于電池的內(nèi)阻熱。內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量為0=PRt=5.42x0.065x1200J=0.42kJ。電池工作溫度保持在30℃。

假設(shè)此種單體18650電池在25℃的環(huán)境溫度中工作，那么電池吸收的熱量0,=CmAt=0.87x0.045x5kJ=0.196kJ那么還剩0:=0:-0,=0.42-0.196=0.224kJ的熱量需要被相變材料吸收，那么所需相變材料的質(zhì)量為1.74g，假設(shè)此種單體18650電池在-20℃的環(huán)境溫度中工作，同理至少需要相應(yīng)的相變材料的質(zhì)量為12.28g；在80℃的環(huán)境溫 度 中 工 作 ， 同 理 至 少 需 要 相 應(yīng) 的 相 變 材 料 的 質(zhì) 量 為18.5g。

綜合計(jì)算， 當(dāng)每個(gè)單體電池外殼模塊中含有18.5g的相變材料， 即19個(gè)相變材料微膠囊，可使此種單體18650電池在環(huán)境溫度為-20~80℃的范圍內(nèi)保持30℃的工作溫度。利用上述的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法，將相變材料應(yīng)用于汽車(chē)動(dòng)力電池的熱管理中， 可以根據(jù)電池的選型和電芯的數(shù)量來(lái)制備相應(yīng)的含有相變材料的模塊，這樣能夠滿(mǎn)足電池的熱管理需求。

總結(jié)

利用仿真軟件， 進(jìn)行相變材料和自然風(fēng)冷條件下的電池溫度場(chǎng)仿真， 發(fā)現(xiàn)相變材料在動(dòng)力電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用能夠提高電池?zé)峁芾淼男省?/p>

根據(jù)相變的物性特征， 為保持電池在合理的工作溫度區(qū)間， 計(jì)算動(dòng)力電池在不同的溫度環(huán)境中需要的相變材料質(zhì)量， 提高電池?zé)峁芾淼氖褂眯省?/p>