蘭博 王秋詩 曾長健 虞益 劉金

摘 要：針對(duì)電動(dòng)汽車對(duì)電池組最高溫度和最大溫差的要求，制備了復(fù)合散熱要求的相變材料，對(duì)現(xiàn)有的梯形電池組形式進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了新型的電池組復(fù)合散熱方式，利用仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的散熱方式進(jìn)行了仿真模擬，驗(yàn)證了其可行性。

關(guān)鍵詞：電池?zé)峁芾?；?fù)合相變材料；溫度；電動(dòng)汽車

目前，能源危機(jī)與環(huán)境破壞等問題加速了電動(dòng)汽車的發(fā)展。電動(dòng)汽車中鋰離子電池在持續(xù)的充放電過程中會(huì)產(chǎn)生的大量熱量，溫度分布不均勻，造成電池性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)降低電池的使用壽命。因此，降低電池組的溫度以及控制其內(nèi)部溫差就是提升電池組性能、增強(qiáng)其安全性的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要有液體冷卻、氣體冷卻、相變材料冷卻三種。而這些單一的散熱方法難以滿足動(dòng)力電池組的散熱要求，易導(dǎo)致電池組性能下降。

所以，本文設(shè)計(jì)了新型的梯形電池箱體，以相變材料散熱為基礎(chǔ)，采取了創(chuàng)新性的相變材料-熱管翅片-強(qiáng)迫空氣對(duì)流復(fù)合散熱方案對(duì)動(dòng)力電池組散熱，將相變材料填充于電池單體之間，利用熱管和翅片導(dǎo)出相變材料吸收的熱量，并強(qiáng)迫空氣對(duì)流散熱。

1 散熱方案設(shè)計(jì)

1.1 相變材料的原理及制備

相變材料（PCM）是一種能夠吸收和釋放相變潛熱的材料，近年來在國外出現(xiàn)的采用相變材料冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)展現(xiàn)出良好前景，值得引起國內(nèi)業(yè)界高度重視[1]。

石蠟是市面上常用的相變材料，它由于具有相變溫度接近電池的最佳工作溫度，單位質(zhì)量相變潛熱高，成本低廉等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。但它的缺點(diǎn)是具有較低的熱導(dǎo)率，不利于對(duì)電池進(jìn)行散熱。通過瞬態(tài)平面法測(cè)得石蠟的熱導(dǎo)率為0.1567W·m-1·K-1，而通過激光導(dǎo)熱法測(cè)得的復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱率為3.953 W·m-1·K-1。所以，本文擬在石蠟中加入適當(dāng)比例的石墨，以彌補(bǔ)單一石蠟熱導(dǎo)率低的問題。

利用Maxwell-Eucken模型[2]估算不同膨脹石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其有效的導(dǎo)熱系數(shù)可通過式（1）計(jì)算得到。

計(jì)算結(jié)果如表1。

為驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性，做了如下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

相變材料的工作過程如下：相變材料自身發(fā)生相變時(shí)，吸收電池充放電時(shí)釋放的熱量，從而降低電池溫度，減小各部分間的溫差。根據(jù)這個(gè)過程，我們計(jì)算冷卻特定工作狀況下的電池所需要的相變材料的質(zhì)量可采用計(jì)算公式（2）得到：

利用上式，可以計(jì)算出使一個(gè)電池保持在合適且穩(wěn)定工作溫度范圍下所需要的相變材料的質(zhì)量。假定電池最佳工作溫度為40℃-50℃，從文獻(xiàn)[3]中查取、、的值，并計(jì)算得出所需相變材料985.4g。在保證石蠟總質(zhì)量不變前提下，改變石墨質(zhì)量，并研究石蠟/石墨復(fù)合相變材料的組成對(duì)電池散熱性能影響，為此配制了3種石蠟/石墨復(fù)合相變材料，其組成和主要熱物理性質(zhì)見表2。

由上表可以看出，理論與實(shí)際值基本一致。本文選用石蠟和石墨質(zhì)量比為4：1的第2組數(shù)據(jù)為研究方案。

1.2 電池組散熱單元的設(shè)計(jì)

對(duì)于柱狀電池組，空氣流場(chǎng)的分布會(huì)直接影響溫度場(chǎng)的分布。因此，合理設(shè)計(jì)電池模塊的排列方式，進(jìn)、出風(fēng)口，選擇合理的箱體形狀，獲取合理的流場(chǎng)分布，是電池組設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容[4]。市面上大多數(shù)電池的排列方式為平行排列和交錯(cuò)排列，但是由于冷卻風(fēng)流經(jīng)上游電池模塊后， 自身溫度上升，導(dǎo)致冷卻下游電池的能力下降，整個(gè)電池箱內(nèi)的整體溫度分布不均。因此，在交錯(cuò)排列的基礎(chǔ)上提出的梯形排列，采用這種梯形結(jié)構(gòu)，可使沿氣流方向的冷卻風(fēng)溫度上升的同時(shí)，冷卻風(fēng)的風(fēng)速逐漸增大，對(duì)流換熱系數(shù)增大，使上下游空氣冷卻效果基本平衡，最終電池組內(nèi)部各區(qū)域的溫度能基本控制在比較均勻的水平上。

根據(jù)梯形排列方式，選用某品牌18650鈷酸鋰電池為研究對(duì)象進(jìn)行建模，經(jīng)過簡化后設(shè)計(jì)出26個(gè)單體電池所組成的電池組。單體電池尺寸為Φ18mm×65mm，26個(gè)電池呈梯形排列，電池均勻排列且間距為35mm，本文建立的電池箱體梯形排布如圖3所示。

接下來，對(duì)電池箱整體進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到復(fù)合散熱的需要，利用Solidworks軟件對(duì)箱體進(jìn)行仿真建模，設(shè)計(jì)出如圖4所示的箱體。

2 效果分析

根據(jù)所設(shè)計(jì)的散熱方式和電池組箱體結(jié)構(gòu)，利用Fluent進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比自然散熱和新型散熱方式散熱效果，結(jié)果如表3

通過表3可以看出，所設(shè)計(jì)的新型散熱方式將最高溫度降低了31%，最大溫差降低了55%，電池組性能得到了顯著提高。

3 結(jié)論

1）創(chuàng)新性的提出了相變材料-熱管翅片-強(qiáng)迫空氣對(duì)流的復(fù)合散熱方式，設(shè)計(jì)了新型的梯形電池箱體散熱結(jié)構(gòu)，利用漸縮噴管的原理保證了下游電池了均衡散熱。

2）選取并制備了適用于電池箱散熱的相變材料。

3）利用Fluent仿真驗(yàn)證了新型散熱方案的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]張國慶， 饒中浩， 吳忠杰，等. 采用相變材料冷卻的動(dòng)力電池組的散熱性能[J]. 化工進(jìn)展， 2009， 28（1）：23-26.

[2] XIA L， ZHANG P， WANG R Z. Preparation and thermal characterization of expanded graphite/paraffin composite phase change material[J]. Carbon， 2010， 48： 2538-2548.

[3] Eastman J A，Choi S U S，Li S，Yu W，el al. Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles[J]. Appl.Phys.Lett.2001，78：718-720.

[4]眭艷輝. 混合動(dòng)力車用鎳氫電池組散熱結(jié)構(gòu)研究[D]. 上海交通大學(xué)， 2009.

作者簡介

蘭博（1994-），男，本科，西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。