基于相變材料和液冷的LiFePO4電池包熱管理研究

魏增輝，　許思傳，　李　釗，　林春景，　常國峰(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804；2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海201804)

基于相變材料和液冷的LiFePO4電池包熱管理研究

魏增輝1,2，許思傳1,2，李釗1,2，林春景1,2，常國峰1,2
(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804；2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海201804)

將相變材料和液冷管路相結(jié)合用于LiFePO4電池包熱管理系統(tǒng)，研究在相變材料完全融化前，液冷開啟時刻對電池溫升的影響；同時研究了不同冷卻液流速對電池溫升的影響。結(jié)果表明：在相變材料相變結(jié)束時，冷卻液開啟時刻越早，電池溫降的斜率越??；隨著冷卻液流速的增加，電池的溫升及溫差逐漸減小。

LiFePO4電池；熱管理；相變材料；液冷

目前電池冷卻方式主要有風(fēng)冷、液冷以及相變材料冷卻等。風(fēng)冷和液冷需要風(fēng)扇及水泵等額外的耗能部件，不僅增加電池能量消耗，還降低了系統(tǒng)的可靠性[1]，這對續(xù)駛里程本來就短的電動車而言是非常不利的。而相變材料利用其相變潛熱來吸收電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱量，不僅沒有能量寄生損失，同時由于相變過程的等溫性，還能保持電池單體間溫度的均勻性。R.Kizilel等[2]研究了相變材料應(yīng)用于鋰電池包，得出在產(chǎn)熱較大情況下，相變材料散熱效果比風(fēng)冷效果好，且能保持較好的溫度均勻性。S.A Khateeb等[3]研究了將相變材料用于踏板車，結(jié)果證明了相變材料用于電池?zé)峁芾淼目尚行浴?/p>

雖然利用相變材料進(jìn)行冷卻具有許多優(yōu)點，但是單獨使用相變材料作為電池的熱管理系統(tǒng)，在極端惡劣工況下完全融化時有冷卻失效的可能。而液冷可以迅速實現(xiàn)電池溫降，因此，通過將相變材料和液冷相結(jié)合，當(dāng)電池產(chǎn)熱較低時，相變材料通過自身相變吸熱對電池進(jìn)行單獨冷卻，不開啟液冷，此時為被動冷卻，從而降低能耗；當(dāng)電池產(chǎn)熱較高時，相變材料通過自身相變無法將熱量全部吸收并釋放出去時，開啟液冷，進(jìn)行主動冷卻。H.Fathabadi[4]研究了風(fēng)冷和相變材料相結(jié)合應(yīng)用于鋰離子電池包的主被動冷卻，結(jié)果表明，主被動結(jié)合能夠

本文對主被動冷卻模型進(jìn)行仿真，首先對不同相變溫度點復(fù)合相變材料應(yīng)用于電池冷卻進(jìn)行仿真，然后研究了液冷不同開啟時刻對電池溫升的影響，并對不同冷卻液流速對電池溫升的影響進(jìn)行仿真研究，從而為電池主被動冷卻研究提供參考。

1 仿真模型

1.1仿真布置方案

為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，本文采用在復(fù)合相變材料中直接嵌入冷卻管道的冷卻模型，如圖1所示。仿真用電池包模型由LiFePO4電池組成，電池與電池間為高導(dǎo)熱石墨片，電池兩側(cè)為復(fù)合相變材料，電池及相變材料參數(shù)見參考文獻(xiàn)[5]。熱量通過高導(dǎo)熱石墨片傳導(dǎo)至復(fù)合相變材料，在兩側(cè)復(fù)合相變材料內(nèi)嵌入三根圓型冷卻管，冷卻液由外部冷卻系統(tǒng)進(jìn)入管道帶走相變材料中的熱量，從而實現(xiàn)主被動相結(jié)合的冷卻方式。

復(fù)合相變材料的尺寸為180 mm×32 mm×30 mm，冷卻管道放置在復(fù)合相變材料的中間，中間管道的中心高度為90 mm，兩側(cè)管道中心離電池模塊的上下面為20 mm，以便帶走相變材料四個角落的熱量，冷卻液管道的直徑為10 mm。在數(shù)值模擬中，分為冷卻液開啟及冷卻液不開啟兩種情況，通過研究不同冷卻液流量、溫度對電池溫度均勻性及溫升的影響，為主被動熱管理系統(tǒng)優(yōu)化和設(shè)計提供依據(jù)。

圖1　相變材料液冷耦合散熱方案示意圖

1.2相變材料相變過程的數(shù)值描述

相變材料的相變過程如圖2[6]所示。

圖2　相變材料焓值隨溫度變化示意圖

由圖2可知，相變材料的相變溫度為定值或某個溫度范圍，當(dāng)相變材料開始融化后其焓會急劇增加。為了方便對電池散熱問題的研究，需要對復(fù)合相變材料的數(shù)值模擬做如下假設(shè)[7]：

(1)石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料內(nèi)部各物質(zhì)分布均勻且物性參數(shù)各向同性；石蠟融化后在膨脹石墨內(nèi)不會流動。

(2)復(fù)合相變材料的比熱容、密度及導(dǎo)熱系數(shù)、相變潛熱在整個過程中始終為恒定值。

基于以上假設(shè)，數(shù)值模擬中控制方程為：

其中：

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W×m－1· K－1；H為任意時刻的焓值，J；href為基準(zhǔn)焓值；h為顯熱焓值；L為相變潛熱，J/kg；q為電池的產(chǎn)熱率；β為液相體積分?jǐn)?shù)，其定義為：

式中：Ts為相變材料的相變起始溫度；Tf為相變終止溫度。

1.3網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(圖3)，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為123萬，求解器采用FLUENT。仿真模擬中，系統(tǒng)的初始溫度為25℃，冷卻液介質(zhì)為水，假設(shè)整個系統(tǒng)與外界無換熱，電池運行工況為3 C充放電，忽略整個系統(tǒng)的接觸熱阻。在冷卻液不流動的情況下，將出口及入口設(shè)置為壁面邊界條件。

圖3　相變材料液冷冷卻系統(tǒng)網(wǎng)格

在環(huán)境溫度為25℃，相變材料的相變溫度為35℃，電池3C充放電情況下分析冷卻液不同開啟時刻，流速及冷卻液溫度對電池散熱的影響。在FLUENT設(shè)置中，由于冷卻液的流速較小，動量方程設(shè)置為層流，將每次迭代步長設(shè)置為200以便求解動量方程。

2 結(jié)果與討論

2.1不同相變溫度對電池溫升的影響

在環(huán)境溫度為25℃時，冷卻不流動情況下，當(dāng)相變材料的相變溫度分別為35、40、45℃時，電池溫升曲線如圖4所示，當(dāng)相變材料完全融化時，電池最終時刻的溫升不會因相變材料相變溫度不同而改變，只是影響融化過程中電池表面的溫度，在相變材料融化過程中電池表面的溫度基本處于相變溫度附近。

圖4　不同相變溫度電池溫升曲線

2.2液冷開啟時刻對電池溫升的影響

在相變材料的相變溫度為35℃時，3C充放電工況下，相變材料完全融化的時刻為2 450 s。為了研究相變材料不同融化階段，冷卻液開啟時刻對電池散熱的影響，分別在2 040、2 160和2 520 s開啟液冷。在冷卻液入口速度為0.8 m/s，冷卻液溫度為28℃時，電池的溫升曲線如圖5所示。

圖5　　液冷不同時刻開啟對電池溫升的影響

由圖5可知當(dāng)通入冷卻液后，電池的溫升顯著下降，說明耦合主動液冷后能夠有效控制電池的最高溫升。同時，液冷開啟時刻越早，在相同的情況下電池溫降越慢，原因是開啟時刻越早，復(fù)合相變材料的溫度較低，冷卻液與復(fù)合相變材料之間的溫差較小，因此冷卻液帶走的熱量越小，電池表面溫降越慢。同時，電池表面溫度會維持在相變材料的融化溫度區(qū)域較長時間，原因是復(fù)合相變材料在凝固過程中其自身溫度會維持在相變溫度附近，直到相變材料完全凝固。

2.3冷卻液流速對電池溫升的影響

在環(huán)境溫度為25℃，相變溫度為35℃，液冷的開啟時刻為2 520 s情況下，冷卻液不同流速對電池溫升的影響如圖6所示。當(dāng)增加冷卻液流速時，電池表面溫度呈現(xiàn)下降的趨勢，當(dāng)流速增加到0.5 m/s時，繼續(xù)增加冷卻液的流速對電池的溫升影響不大；當(dāng)冷卻液的流量為0.05 m/s時，電池表面的溫度出現(xiàn)不再繼續(xù)增加的現(xiàn)象。圖7為在3 720 s時電池溫降與冷卻液流速的關(guān)系，當(dāng)流速從0.1 m/s增加到0.5 m/s時電池的溫度下降了3℃左右，但是當(dāng)冷卻液的流速從0.5 m/s增加到0.8 m/s時，電池表面的溫度下降不到1℃。

可以通過熱阻的概念解釋上述現(xiàn)象發(fā)生的原因，建立熱量從熱源傳遞到冷卻液的簡化傳熱表達(dá)式：

圖6　不同冷卻液流速對電池溫升的影響

圖7　電池溫降隨流量關(guān)系

式中：Δt為電池與冷卻液間的溫差；q為熱流密度；δ為熱量傳遞的距離；k為導(dǎo)熱系數(shù)；h為冷卻液的換熱系數(shù)。在等式右邊其他條件相同的情況下，隨著流速的增加，冷卻液的換熱系數(shù)不斷增加，則等式左邊的值越小，所以電池的溫降便越小。

當(dāng)冷卻液開啟后，不同流速下電池體溫差如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)冷卻液開始流動時，單電池間的溫度均勻性明顯變差，但隨著冷卻液流速的增加，電池單體間的溫差逐漸變小。

圖8　不同流速下電池體溫差曲線

為了分析引起電池溫差的主要因素，取流速為0.5 m/s，電池運行時刻為3 300 s時電池的溫度云圖，如圖9所示。

圖9　電池溫度場分布

由圖9可知，由于冷卻液在入口處的溫度為28℃，小于電池運行過程中的最高溫度，且高導(dǎo)熱石墨片的導(dǎo)熱效果極好，造成入口處第一塊電池的溫度始終比隨后幾塊電池溫度低，同時可以明顯發(fā)現(xiàn)在電池側(cè)面有冷卻管道造成的溫度梯度，說明此種主/被動方案在維持電池表面溫度均勻性方面需要改善?？梢詮囊韵路矫孢M(jìn)行改善：

(1)將圓管改為液冷板，從而增大與相變材料的接觸面積，使其能夠更好地維持電池表面的溫度均勻性。

(2)讓高導(dǎo)熱石墨片不與冷卻液流道接觸，這樣可以避免冷卻液入口處高導(dǎo)熱石墨片對溫度均勻性的影響。

3 結(jié)論

本文研究了相變材料和液冷相結(jié)合的主被動式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，研究了不同液冷開啟時刻及冷卻液流速對電池?zé)峁芾淼挠绊?，得到以下結(jié)論：

(1)主被動結(jié)合的熱管理方案能夠控制電池的最高溫升，但加入主動散熱系統(tǒng)后，由于液冷管路布置位置以及接觸面積等因素會破壞原被動系統(tǒng)的溫度均勻性，因此在耦合主動系統(tǒng)時要盡量減小其對電池溫度均勻性的破壞。

(2)冷卻液開啟時刻越早，電池溫降的斜率越?。浑S著冷卻液流速的增加，電池的溫降斜率變小，溫度均勻性變好，當(dāng)流速增加到一定程度后，繼續(xù)增加流速對電池的溫升影響不大。

(3)由于液冷管道為圓管造成電池側(cè)面的溫度出現(xiàn)一定的不均勻現(xiàn)象，因此在耦合主動系統(tǒng)時盡量和相變材料進(jìn)行面接觸，以消除電池表面的溫度不均勻性。

[1]凌子夜，方曉明，汪雙鳳，等.相變材料用于鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究進(jìn)展[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2013(5):451-459.

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Research on active-passive thermal management system of LiFePO4battery pack

WEI Zeng-hui1,2，XU Si-chuan1,2，LI Zhao1,2，LIN Chun-jing1,2，CHANG Guo-feng1,2
(1.School of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804,China；2.Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University,Shanghai 201804,China)

In order to control the temperature of the LiFePO4battery,phase change materials and liquid cooling were applied to the thermal management system of the battery pack.Before the phase change materials were totally melt, different opening time of the liquid cooling are simulated.Besides,models were built to analysis the relationship between the liquid velocity and the temperature of the battery.The results show that the temperature is lower when the liquid loop opens earlier.And the temperature difference would be smaller when the liquid velocity was higher.

LiFePO4battery;thermal management;phase change material;liquid cooling

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0044-03

2015-06-15

國家“973”重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2011CB711203)

魏增輝(1990—)，男，河南省人，碩士研究生，主要研究方向為電動汽車動力系統(tǒng)熱管理。很好地將電池包的溫升控制在設(shè)定目標(biāo)，且溫度均勻性較好。相變材料起到一個削減能量消耗的作用。由于純相變材料的導(dǎo)熱率較低，通常情況下在純相變材料中加熱高導(dǎo)熱材料，以提高其導(dǎo)熱率，因此又叫做復(fù)合相變材料。