劉家良，趙知辛，黃鳴遠(yuǎn)，陳小龍

泡沫金屬?PCM?液冷復(fù)合方式下動力電池散熱分析*

劉家良，趙知辛?，黃鳴遠(yuǎn)，陳小龍

（陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001）

電池是電動汽車的核心動力元件，而電池的熱管理系統(tǒng)是動力電池發(fā)揮最佳工作性能的重要保障，在保證最佳工作性能的同時(shí)提升汽車安全性能、電池壽命及能源利用效率?；?1700NCA圓柱型三元鋰離子電池，建立以泡沫鋁為支撐骨架的電池組系統(tǒng)，在骨架和電池之間的孔隙注入相變材料（PCM）以提高結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度均勻性，在電池底部添加液冷板來強(qiáng)化冷卻效果，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真技術(shù)分析單體電池的耦合散熱效果。結(jié)果表明，與單一冷卻模式相比，使用泡沫金屬與相變材料、液體冷卻的耦合散熱系統(tǒng)，可以達(dá)到更加良好的散熱效果；對于相變材料，在一定密度范圍內(nèi)，密度越大，對電池系統(tǒng)的冷卻效果越好，混合比主要影響相變材料的凝固融化速率。

動力電池；相變冷卻；泡沫金屬；CFD仿真

0 引 言

21世紀(jì)以來，隨著社會固有資源的不斷消耗，環(huán)境的日益惡化，以及對現(xiàn)有能源的依賴，尋找新型清潔能源成為當(dāng)前發(fā)展的重要議題。憑借減少化石燃料的燃燒、低廉的成本和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，新能源汽車逐漸得到了廣泛的關(guān)注。目前，商業(yè)化新能源汽車主要以電動汽車為主，其核心儲能部件為動力電池，與其他電池相比，鋰離子電池在體積與能量密度上有著顯著的優(yōu)勢，使汽車的續(xù)航里程與壽命得到大幅提升，從而被廣泛應(yīng)用于電動汽車中。

目前，電動汽車為追求更高的續(xù)航里程，車載電池?cái)?shù)量不斷增加，當(dāng)大量密集布置的電池耦合時(shí)，電池的散熱系統(tǒng)顯得尤為重要。在電池組中，當(dāng)電池溫度過低會出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)遲緩與電解液凝固現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電池效率和壽命降低；而當(dāng)電池溫度過高，冷卻散熱不及時(shí)，則會造成電池?zé)崾Э睾蜔犴憫?yīng)不均，這種情況會危及車輛整體安全。因此研究動力電池系統(tǒng)的散熱特性具有重要意義[1]。

車用電池模組主動冷卻方式有兩種，即自然風(fēng)冷散熱和液體冷卻散熱；被動冷卻方式主要采用相變材料（phase change materials, PCM）冷卻散熱。其中，自然風(fēng)冷以空氣為換熱介質(zhì)，主要采用熱對流的方式以達(dá)到冷卻散熱的目的，風(fēng)冷散熱雖成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，但受環(huán)境溫度影響，散熱效率較低。ZHANG等[2]提出了在并聯(lián)風(fēng)冷模型的氣流分配室中設(shè)置擾流板這一概念，通過改變氣流軌跡與強(qiáng)度提高電池系統(tǒng)的冷卻性能。結(jié)果表明，擾流板的數(shù)量和位置對電池組的散熱性能有顯著影響。與空氣相比，液體的對流系數(shù)更大，冷卻液可帶走更多電池產(chǎn)生的熱量，使電池處于安全工作溫度下，但液冷管道布置復(fù)雜，成本較高，同時(shí)存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。萬長東等[3]提出了一種采用液冷板與冷條耦合的新型結(jié)構(gòu)，用于強(qiáng)化傳熱，研究了液冷板布置層數(shù)及液體流速對電池散熱的影響。結(jié)果表明采用雙層液冷板散熱時(shí)，電芯溫度更均勻，液體流速小于5 L/min時(shí)，隨流速增大，散熱效果更加顯著。而以相變材料作為換熱介質(zhì)的冷卻方式，能在材料相變過程中吸收和釋放大量的熱，達(dá)到快速穩(wěn)定的散熱效果。朱波等[4]將相變材料制成儲能容器的型式，有效控制了電池溫度，在低溫工況下電池加熱更快。徐祥貴等[5]研究了PCM復(fù)合泡沫金屬的相變過程，發(fā)現(xiàn)加入泡沫金屬提高導(dǎo)熱率的同時(shí)系統(tǒng)溫差不斷增大。

基于上述冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析，本文將采用以泡沫金屬鋁為蜂窩型骨架、相變材料填充和液冷板結(jié)合的復(fù)合式冷卻系統(tǒng)，利用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）仿真技術(shù)，分析該復(fù)合式冷卻方式下動力電池的散熱效果。

1 鋰離子電池散熱結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)定

1.1 電池模型及材料參數(shù)

目前，應(yīng)用于電動汽車的電池主要有方型、軟包和圓柱型等。方型電池體積較小，但外層硬質(zhì)保護(hù)殼使得電池包整體重量大幅增加，具有更高空間利用率的同時(shí)對冷卻系統(tǒng)布置要求較高。軟包電池雖質(zhì)量更輕，但軟性塑料膜的材質(zhì)使得電池自我保護(hù)性較差，安全性較低。圓柱型電池的標(biāo)準(zhǔn)化使得電池成組后更加穩(wěn)定，輸出功率更大，但單體電池?cái)?shù)量更多的情況下，對熱管理系統(tǒng)的要求更高。近年來全球最大的能源公司特斯拉將21700NCA圓柱型鋰離子電池應(yīng)用于新能源汽車，本文將以該電池作為研究對象。21700NCA圓柱型三元鋰離子電池外觀如圖1所示。該電池由正極、正極集流體、負(fù)極、負(fù)極集流體、隔膜層疊卷繞而成，并浸于電解液中，外部由鋁殼包裹[6]。

圖1 21700NCA圓柱型三元鋰離子電池

若按照電池的真實(shí)層疊結(jié)構(gòu)建立模型進(jìn)行仿真，需要大量網(wǎng)格，嚴(yán)重影響計(jì)算效率，因此采用集中參數(shù)法建立電池模型，即將鋰電池看作一個(gè)溫度均勻分布的均質(zhì)體，如圖2所示，熱物性參數(shù)取各部分加權(quán)平均值。

圖2 鋰離子電池模型示意圖

由于電池內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)，故導(dǎo)熱系數(shù)存在各向異性。21700NCA圓柱型三元鋰電池的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 21700NCA圓柱型三元鋰電池相關(guān)參數(shù)[2]

泡沫金屬具有導(dǎo)熱率高、密度低、隔熱性好和空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)[7]。為改善電池散熱條件，本研究采用面心立方結(jié)構(gòu)的泡沫鋁作為放置電池的主體骨架，如圖3a所示。電池布置如圖3b所示，單體電池之間采用并聯(lián)再串聯(lián)的方式形成電池組，包含4 × 4共16節(jié)21700NCA圓柱型三元鋰離子電池。

相變材料主要分為有機(jī)類、熔融鹽類、合金類及復(fù)合類四種，其中，熔融鹽類與合金類相變材料適用于120℃～ 1 000℃的中高溫環(huán)境，本文低溫封裝環(huán)境下，選擇導(dǎo)熱性能較好、儲熱密度較高的石墨/石蠟有機(jī)類復(fù)合相變材料。將該相變材料填充至泡沫鋁與電池組之間的圓柱型孔隙中，從而形成泡沫鋁、石墨/石蠟復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)。該材料的儲能密度較高，化學(xué)穩(wěn)定性較好，易于控制。同時(shí)相變過程膨脹收縮性小，沒有腐蝕性和相分離現(xiàn)象[8-9]。為進(jìn)一步提高散熱效率，在電池底部放置鋁制液冷板。防止冷卻液泄漏，在電池與液冷板之間加入硅膠以達(dá)到絕緣的目的。同時(shí)在電池上表面覆蓋陶瓷纖維防止高溫，冷卻液采用乙二醇。各組件材料熱物性參數(shù)見表2。

圖3 電池組散熱結(jié)構(gòu)：（a）面心立方結(jié)構(gòu)泡沫鋁；（b）電池組結(jié)構(gòu)

表2 材料熱物性參數(shù)

石墨/石蠟相變材料是定型材料，黏度無限大，即使達(dá)到固液相臨界溫度，也不會存在宏觀上的液體流動現(xiàn)象。同時(shí)，為簡化仿真計(jì)算，假定相變材料的熱導(dǎo)系數(shù)、密度和比熱容不隨溫度變化，忽略相變材料在相變前后的體積變化和相變材料的對流效應(yīng)[10]。

1.2 物理與數(shù)學(xué)模型

目前采用圓柱型鋰電池的電動汽車通常包含成百上千塊單體電池，被分成多個(gè)模組。本文采用的是4 × 4電池組模型，如果對完整的電池組進(jìn)行建模仿真需要花費(fèi)巨大的計(jì)算成本，因此為進(jìn)一步簡化模型，考慮到單體電池均勻分布，基本具有相同的邊界條件，仿真分析采用單體電池模型，模型剖面圖如圖4所示。

模型由電池、泡沫鋁骨架、相變材料、液冷板及管道5個(gè)部分組成，使用有限元前處理軟件ICEM對電池模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為在保證計(jì)算精度的同時(shí)提高計(jì)算效率，在模型的各部分采用不同的網(wǎng)格精度。此模型網(wǎng)格質(zhì)量分布在0.65 ～ 1。單體電池網(wǎng)格如圖5a所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖5b所示。

圖4 單體電池散熱模型

圖5 模型網(wǎng)格劃分：（a）單體電池網(wǎng)格；（b）整體散熱結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

為描述電池內(nèi)部的發(fā)熱功率，BERNARDI等[11]推導(dǎo)出基于電池內(nèi)部均勻發(fā)熱的等效產(chǎn)熱方程，該方程是目前應(yīng)用最廣泛的公式之一，其表達(dá)式為：

1.3 不同放電倍率對電池溫度的影響

當(dāng)前，對于單體電池國內(nèi)外規(guī)定1 C為標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)充放電倍率，2 C為較高充放電倍率?；?1700NCA圓柱型鋰離子電池，設(shè)置1 C、1.5 C、2 C 三組放電倍率工況。在不同放電倍率下電池溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖6所示[6]。

圖6 不同放電倍率下的電池溫度

從圖中可以看出，隨電池放電倍率的增大，電池內(nèi)部溫度與溫差升高，但其趨勢基本保持一致，前1 500 s溫度迅速上升，達(dá)到峰值，后緩慢下降，趨于穩(wěn)定。峰值均出現(xiàn)在1 500 ～ 2 000 s，且放電倍率每增加0.5 C，溫度峰值升高5 K。為更好地表現(xiàn)電池系統(tǒng)的散熱效果，采用1.5 C放電倍率，編譯udf模擬電池?zé)嵩吹纳鸁崆闆r。

1.4 計(jì)算參數(shù)及網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

設(shè)定環(huán)境溫度為25℃，冷卻液入口溫度為20℃，流量為2 L/min，流體通道當(dāng)量直徑為4 mm，入口雷諾數(shù)小于2 300，冷卻液入口采用速度入口，出口采用壓力出口，單通道進(jìn)口流速為1.3 m/s。相變材料外表面、耐火材料外表面及液冷板外表面均為自然對流換熱面，設(shè)置自然對流換熱系數(shù)為5 W/(m2?K)。

網(wǎng)格數(shù)量是影響數(shù)值仿真模擬精度與收斂性的重要參數(shù)，為保證泡沫金屬?PCM?液冷復(fù)合結(jié)構(gòu)的動力電池散熱數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用480 891、968 326、1 246 217三種不同的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行模擬，其余條件保持不變。電池溫度變化趨勢如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

由圖7可知，在網(wǎng)格數(shù)量分別增長50.3%、61.4%時(shí)，電池溫度的變化在3%以內(nèi)，對比三種不同網(wǎng)格數(shù)所得結(jié)果，沒有發(fā)現(xiàn)明顯差異，考慮計(jì)算成本與計(jì)算效率，采用的網(wǎng)格數(shù)為480 891。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合冷卻系統(tǒng)下電池溫升特性

在設(shè)定工況條件下，21700NCA圓柱型鋰離子電池表面溫度分布如圖8所示。圖8a為電池側(cè)面溫度分布，圖8b為電池上表面溫度分布，圖8c為電池底部溫度分布。由圖8可知，電池最高溫度為28.15℃，溫升為3.15℃，電池底部靠近液冷板，散熱較快，熱量聚集較少；電池頂部距液冷板較遠(yuǎn)，散熱較慢，熱量主要積聚在頂部，溫度分布梯度較為明顯。

圖8 復(fù)合冷卻散熱結(jié)構(gòu)下電池溫度分布：（a）電池側(cè)面；（b）電池上表面；（c）電池底部

同時(shí)，相變材料與泡沫金屬鋁的溫度分布如圖9所示。初始階段（0 ～ 1 000 s ），在熱傳導(dǎo)的作用下系統(tǒng)溫度升高，但由于泡沫金屬鋁的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)高于相變材料，故溫升速率比相變材料快，因此泡沫金屬鋁周圍填充的相變材料首先產(chǎn)生熔化趨勢，逐漸吸收部分電池產(chǎn)生的熱量，提高了熔化過程的均勻性[5]。

圖9 泡沫金屬鋁（a）和相變材料（b）溫度分布

在設(shè)定工況條件下，對比分析復(fù)合式冷卻散熱結(jié)構(gòu)、無冷卻散熱結(jié)構(gòu)和液體冷卻散熱結(jié)構(gòu)的性能差異。其中，復(fù)合式冷卻散熱結(jié)構(gòu)與液體冷卻散熱結(jié)構(gòu)中液冷板均布置于電池底部，三種結(jié)構(gòu)下的電池截面溫度分布如圖10a、圖10b、圖10c所示。圖10可知，復(fù)合式冷卻散熱結(jié)構(gòu)、無冷卻散熱結(jié)構(gòu)和液體冷卻散熱結(jié)構(gòu)電池最高溫度分別為28.15℃、32.95℃、28.85℃。由此可得，該復(fù)合式冷卻散熱結(jié)構(gòu)可以有效吸收電池產(chǎn)生的熱量，有助于更好地控制電池內(nèi)部溫度。其中，單一液體冷卻散熱結(jié)構(gòu)由于受液冷板布置位置影響，電池內(nèi)部溫度分布呈明顯的層疊狀，不再是由中心向外部發(fā)散的環(huán)狀，故液冷板布置位置會影響電池內(nèi)部溫度的均衡性。在復(fù)合式冷卻散熱結(jié)構(gòu)下，溫度條紋狀分布的趨勢明顯減弱，大體呈環(huán)狀分布，控制最高溫度的同時(shí)縱向溫差控制在1 × 10?1數(shù)量級，對電池整體影響較小，與其他兩種冷卻方式相比，該耦合冷卻結(jié)構(gòu)效果更佳。

圖10 復(fù)合式冷卻（a）、無冷卻散熱（b）及液體冷卻散熱（c）結(jié)構(gòu)下電池截面溫度分布

盡管在復(fù)合式冷卻散熱結(jié)構(gòu)下，泡沫金屬鋁，相變材料及液冷板在一定程度上會降低電池的能量密度，但其質(zhì)量密度較低，在減少對電池能量密度影響的同時(shí)能有效地控制電池的溫升[12]。

2.2 環(huán)境溫度對電池溫升特性的影響

當(dāng)環(huán)境溫度從25℃上升至40℃，電池溫度隨時(shí)間變化曲線如圖11a所示，電池縱向溫差隨時(shí)間變化曲線如圖11b所示。由圖11a可知，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，電池緩慢升溫，最大溫差為11℃，環(huán)境溫度上升15℃，電池溫升幅度為環(huán)境溫升幅度的70%，電池處于安全溫度范圍內(nèi)。在升溫過程前期，電池溫度波動較大，后期相對穩(wěn)定。由圖11b可以看出，復(fù)合式冷卻散熱結(jié)構(gòu)下電池縱向溫差為0.15℃～ 3.15℃。在一定范圍內(nèi)，隨環(huán)境溫度升高，電池縱向溫差逐漸減小，是由于當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，相變材料逐漸趨近液相狀態(tài)，由低溫的固態(tài)導(dǎo)熱方式逐漸轉(zhuǎn)換為高溫液態(tài)導(dǎo)熱方式。此時(shí)，復(fù)合相變材料不會發(fā)生明顯的液體流動現(xiàn)象，吸熱量增加，溫度變化范圍減小，提高了電池內(nèi)部溫度的均勻性。

2.3 相變材料混合比與密度對電池溫度的影響

改變相變材料的混合比會影響材料的導(dǎo)熱率、比熱容和相變潛熱，通常石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，相變材料的導(dǎo)熱性越好，但比熱容降低，故在相變材料中石墨含量越高，與外界的換熱效率越高，儲熱能力降低。同時(shí)，由于石墨疏松多孔的物理性質(zhì)，在制備后冷卻壓縮，可制得不同密度的相變材料[13]，相變材料的密度會影響整個(gè)系統(tǒng)吸熱量，密度越大，材料的導(dǎo)熱性越好，可吸收的熱量更多，電池能夠更加穩(wěn)定地維持在一定安全溫度下。同時(shí)在滿足系統(tǒng)冷卻散熱性能的前提下，應(yīng)盡量減少相變材料的用量，以滿足經(jīng)濟(jì)性與輕量化的要求。本文分別采用石墨含量為10%和20%兩種混合比對600 kg/m3、700 kg/m3、800 kg/m3三種不同密度的相變材料進(jìn)行電池冷卻散熱性能研究。材料相關(guān)熱物性參數(shù)見表3。

在復(fù)合相變材料中混合比保持不變，石墨含量為10%時(shí)，三種相變材料密度的電池截面溫度分布如圖12a、圖12b、圖12c所示。當(dāng)石墨含量達(dá)到20%，其余條件不變時(shí)，電池截面溫度分布如圖12d、圖12e、圖12f所示。

表3 石墨/石蠟相變材料熱物性參數(shù)[14]

圖12 不同石墨含量與密度下復(fù)合相變材料的電池截面溫度分布

由圖可知，復(fù)合相變材料密度對電池系統(tǒng)溫度的影響較小，但從總體趨勢可以看出在一定范圍內(nèi)，密度越大，電池內(nèi)部溫度越低，且溫差均保持在較小范圍。在混合比增大，密度保持相同數(shù)值梯度時(shí)，電池內(nèi)部溫度基本保持不變，復(fù)合相變材料混合比的變化對電池系統(tǒng)溫度影響較小。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是不同相變材料導(dǎo)熱性的差異，從而進(jìn)一步影響電池系統(tǒng)的溫度變化。同時(shí)，復(fù)合相變材料中石墨的含量在一定范圍內(nèi)對電池溫度的影響較小，石墨含量的高低主要影響復(fù)合相變材料的冷凝與熔化速度，石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，復(fù)合相變材料的冷凝與熔化速度越快[14]。

通過以上分析可以得出：在一定工況下，復(fù)合相變材料的密度越大，電池系統(tǒng)的溫度越低；相變材料中石墨含量的變化對電池系統(tǒng)溫度影響較小，該參數(shù)主要影響復(fù)合相變材料的凝固融化速率。

3 結(jié) 論

對21700NCA圓柱型鋰離子電池建立了泡沫金屬、相變材料及液體冷卻的復(fù)合式冷卻散熱模型，研究了電池在該耦合模型不同工況下的散熱特性，相關(guān)結(jié)論如下：

（1）與無冷卻、液體冷卻等單一冷卻方式相比，基于泡沫金屬、相變材料及液體冷卻的復(fù)合冷卻方式對電池系統(tǒng)溫度控制有明顯的優(yōu)勢，冷卻散熱效果更佳。

（2）當(dāng)環(huán)境溫度從25℃升至40℃時(shí)，電池溫升幅度為環(huán)境溫升的70%，電池縱向溫差減小，電池處于安全溫度范圍內(nèi)，電池內(nèi)部溫度分布較為均勻。

（3）對于復(fù)合相變材料，混合比一定，密度越大，電池內(nèi)部溫度越低，密度一定，混合比的改變對電池內(nèi)部溫度影響較小。

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Analysis of the Heat Dissipation of Power Battery under the Composite Mode of Metal Foam-PCM-Liquid Cooling

LIU Jia-liang, ZHAO Zhi-xin, HUANG Ming-yuan, CHEN Xiao-long

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, Shaanxi, China)

Battery is the core power component in electric vehicles, and the battery’s thermal management system is an important guarantee for the best performance of the battery. Based on the 21700NCA cylindrical ternary lithium-ion battery, a battery pack system with foamed aluminum as the supporting framework was established in this paper. Phase change materials (PCM) were injected into the pores between the framework and the battery to improve the internal temperature uniformity of the structure. A liquid cooling plate was added to the bottom of the battery to enhance the cooling effect, and the coupled heat dissipation effect of the single battery was analyzed by computational fluid dynamics (CFD) simulation technology. Results showed that, compared with the single cooling mode, the coupling cooling system of metal foam, phase change material and liquid cooling can achieve better cooling effect. For phase change materials, within a certain density range, the higher the density, the better the coolingeffect of the battery system. The mixing ratio of PCM mainly affects the solidification and melting rate of PCM.

power battery; phase change cooling; foam metal; CFD simulation

2095-560X（2022）01-0080-07

TK124

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.01.011

2021-11-26

2021-12-30

陜西省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019GY-068）；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（16JK1147）

趙知辛，E-mail：zhixin2015@sohu.com

劉家良（1996-），男，碩士研究生，主要從事機(jī)械裝備的CAE分析、流體力學(xué)CFD分析等方面的研究。

趙知辛（1973-），男，工學(xué)博士，講師，主要從事機(jī)械裝備的CAE分析、流體力學(xué)CFD分析等方面的研究。