基于相變材料與空氣耦合熱管理系統(tǒng)的電池溫度控制研究

馮明旭 畢海權(quán) 秦 萍 王宏林

基于相變材料與空氣耦合熱管理系統(tǒng)的電池溫度控制研究

馮明旭 畢海權(quán) 秦 萍 王宏林

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

電池組在充放電時(shí)，溫度過高或者溫度均勻性較差不僅會影響電池容量、使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會引發(fā)安全問題。針對鈦酸鋰電池組成的電池組，采用Fluent仿真軟件分析了相變材料熱管理系統(tǒng)對電池的溫度控制效果，并基于相變材料熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，形成了相變材料與空氣耦合熱管理系統(tǒng)。最后對相變材料熱管理系統(tǒng)與耦合熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明：耦合熱管理系統(tǒng)能更有效的控制電池組溫度。

電池組；數(shù)值計(jì)算；相變材料；耦合熱管理系統(tǒng)

0 引言

現(xiàn)代低地板有軌電車因其大運(yùn)載量、低運(yùn)行成本、無直接污染等優(yōu)勢受到世界各國青睞[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前世界上已經(jīng)有60多個(gè)國家的240多個(gè)城市在大力發(fā)展現(xiàn)代低地板有軌電車[4]。我國的廣州、蘇州、沈陽、上海、天津等五個(gè)城市已經(jīng)開通了有軌電車線路，而且已有多座城市提出了建設(shè)現(xiàn)代有軌電車線路的規(guī)劃，超過40座城市已經(jīng)開始實(shí)際行動，總路線長度超過了1600km。

為了保證列車通過一定長度的無電區(qū)，現(xiàn)代低地板有軌電車采用蓄電池組作為動力系統(tǒng)。因此，如何改善動力電池的使用性能及使用壽命，直接關(guān)系到現(xiàn)代低地板有軌電車的快速發(fā)展。

對于車載動力電池，溫度是影響其性能及壽命的一個(gè)重要因素。一方面，電池溫度過高會導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加、容量和功率衰減，還會使電池失效或使用壽命縮短[5,6]，而且當(dāng)溫度上升到一定程度的時(shí)候，電池會發(fā)生起火甚至爆炸等危險(xiǎn)。另一方面，單體電池容量和額定電壓都比較小，為了達(dá)到有軌電車動力系統(tǒng)電壓要求，電池組會由多個(gè)單體電池經(jīng)串并聯(lián)組合而成。因此，當(dāng)電池組中有一個(gè)單體電池溫度過高時(shí)，則該單體電池電化學(xué)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、循環(huán)效率、容量、功率和壽命等都會下降，而在充放電時(shí)與其他處于正常溫度的電池相比，溫度出現(xiàn)異常的電池會出現(xiàn)過充或過放的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)也會發(fā)生起火或者爆炸等危險(xiǎn)。因此，為了提升電池的使用效率，延長其使用壽命，對電池組進(jìn)行有效的熱管理是很有必要的。

本文研究的鈦酸電池最佳工作溫度范圍為20℃～50℃。Ahmad A P[7]的研究表明，當(dāng)電池組內(nèi)各個(gè)單體電池溫度差小于5℃時(shí)，各電池在使用過程中可保持較好的溫度均勻性。

1 相變材料熱管理系統(tǒng)

本文以鈦酸鋰電池組成的電池組作為研究對象，首先采用相變材料熱管理系統(tǒng)對其進(jìn)行溫度控制[8,9]。鈦酸鋰電池示意圖如圖1所示。

圖1 鈦酸鋰電池

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

相變材料冷卻方式是一種近年來才提出的新型散熱方式，它隨著復(fù)合相變材料的發(fā)展而呈現(xiàn)出了較好的使用前景。本文所采用的相變材料熱管理系統(tǒng)中相變材料的物性參數(shù)如表1所示[9]。

表1 相變材料物性參數(shù)

圖2 相變材料熱管理系統(tǒng)

本文所采用的相變材料熱管理系統(tǒng)是將相變材料嵌入鈦酸鋰單體電池之間，利用相變材料在發(fā)生相變時(shí)的相變潛熱吸收電池充放電時(shí)所產(chǎn)生的熱量。由于電池組由多塊鈦酸鋰單體電池串并聯(lián)組成，為了降低計(jì)算周期，本文選取20塊單體電池形成一個(gè)電池模塊?？紤]到正負(fù)極耳的熱效應(yīng)對整個(gè)單體電池的溫度分布影響很小，且正負(fù)極耳的體積對于鈦酸鋰單體電池體積而言也非常小，因此在建模時(shí)，忽略正負(fù)極耳，將鈦酸鋰電池簡化為一個(gè)均勻發(fā)熱體。本文相變材料熱管理系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示，其中兩塊鈦酸鋰電池間相變材料厚度為4mm，電池組左、右邊緣的相變材料厚度為中間相變材料厚度的一半，即厚度為2mm。

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

鈦酸鋰電池在不同充放電倍率下電池最高溫度變化情況如圖3所示。由圖可知，電池溫度變化經(jīng)過三個(gè)階段：首先是電池溫度快速上升，然后是電池溫度穩(wěn)定在42℃左右，最后電池溫度再快速上升。這是因?yàn)樵陔姵貏傞_始充放電時(shí)，電池組內(nèi)溫度還沒有達(dá)到相變溫度，電池產(chǎn)生的熱量由電池和相變材料的顯熱吸收，所以電池溫度上升較快；隨著電池發(fā)熱量的增加，電池組溫度達(dá)到相變溫度，這時(shí)相變材料開始熔化，電池產(chǎn)生的熱量被相變材料的潛熱吸收，因此電池的溫度能穩(wěn)定在相變溫度范圍內(nèi)；當(dāng)相變材料完全融化以后，電池產(chǎn)生的熱量又由電池和相變材料的顯熱吸收，所以電池溫度又快速上升，最后電池組內(nèi)電池最高溫度超過電池最佳工作溫度范圍上限值50℃。

圖3 不同充放電倍率下電池最高溫度

此外，由圖3還可得知，隨著充放電倍率的增加，相變材料熱管理系統(tǒng)將電池最高溫度控制在50℃的時(shí)間隨之縮短。當(dāng)電池充放電倍率為1C時(shí)，相變材料熱管理系統(tǒng)將電池最高溫度控制在50℃以下的時(shí)間為340min；而當(dāng)電池充放電倍率升高到4C時(shí)，相變材料熱管理系統(tǒng)將電池最高溫度控制在50℃以下的時(shí)間只有52 min。這是因?yàn)橄嘧儾牧献陨頉]有散熱能力，當(dāng)充放電倍率增加后，電池的發(fā)熱量也隨之增加，而有限的相變材料會在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生完全相變，失去對溫度的控制能力。

為了提高電池的使用性能和安全性，相變材料熱管理系統(tǒng)不僅需要將電池的最高溫度控制在50℃以下，而且還要盡可能減小電池組內(nèi)各單體電池間的溫差，即控制電池組溫度的均勻性。

圖4 不同充放電倍率下電池最大溫差

電池在不同充放電倍率下電池溫度達(dá)到50℃的過程中電池組的最大溫差如圖4所示。從圖中可以看出，隨著放電倍率的增加，電池之間的最大溫差在不斷增大。當(dāng)電池充放電倍率為4C時(shí)，電池組溫差達(dá)到最大為0.25℃，滿足電池之間最大溫差不超過5℃的要求，因此可知相變材料熱管理系統(tǒng)能很好地控制電池組內(nèi)溫度分布的均勻性。

2 相變材料與空氣耦合熱管理系統(tǒng)

由1.2節(jié)研究結(jié)果可知，相變材料熱管理系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)能對電池組溫度起到控制作用，但在高倍率充放電情況下相變材料會在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生完全相變，失去對電池溫度的控制能力。因此，本文對相變材料熱管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化形成了相變材料與空氣耦合熱管理系統(tǒng)（以下簡稱耦合熱管理系統(tǒng)），即在相變材料熱管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將導(dǎo)熱介質(zhì)置入相變材料中，利用導(dǎo)熱介質(zhì)導(dǎo)出相變材料中的熱量從而降低相變材料的溫度，再由空氣與導(dǎo)熱介質(zhì)通過對流換熱將熱量帶出耦合熱管理系統(tǒng)。

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

圖5是本文所采用的耦合熱管理系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)由相變材料熱管理區(qū)和對流換熱區(qū)兩部分組成，中間通過導(dǎo)熱性能良好的銅片連接，厚度為0.5mm，銅片將相變材料中的熱量導(dǎo)出電池模塊后在對流換熱區(qū)與空氣進(jìn)行對流換熱把熱量帶出耦合熱管理系統(tǒng)。圖中對流換熱區(qū)與空氣對流換熱的銅片高度為30mm；過渡區(qū)是考慮了單體電池極耳和電池模塊內(nèi)單體電池間串并聯(lián)時(shí)的接線區(qū)，高度為30mm；進(jìn)風(fēng)段與出風(fēng)段為冷卻空氣的進(jìn)口與出口，長度均為50mm。圖6是耦合熱管理系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型。

圖5 耦合熱管理系統(tǒng)示意圖

圖6 耦合熱管理系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型

2.2 結(jié)果分析

當(dāng)耦合熱管理系統(tǒng)的冷卻空氣流速為1m/s，溫度為28℃時(shí)，耦合熱管理系統(tǒng)與相變材料熱管理系統(tǒng)對電池溫度的控制效果對比如表2所示，其中“——”表示電池在1C充放電倍率下，耦合熱管理系統(tǒng)將電池最高溫度控制在50℃以下的時(shí)間超過了10小時(shí)。

當(dāng)耦合熱管理系統(tǒng)的冷卻空氣流速為1m/s，溫度為28℃，電池充放電倍率為4C時(shí)，相變材料熱管理系統(tǒng)對電池最高溫度的控制效果與耦合熱管理系統(tǒng)對電池最高溫度的控制效果如圖7所示。由圖可知，相變材料熱管理系統(tǒng)能將電池最高溫度控制在50℃以下的時(shí)間為51分鐘，而耦合熱管理系統(tǒng)能將電池最高溫度控制在50℃以下的時(shí)間為87分鐘，即耦合熱管理系統(tǒng)能更有效的控制電池最高溫度不超過50℃。這是因?yàn)楫?dāng)電池溫度升高時(shí)，耦合熱管理系統(tǒng)的冷卻空氣與導(dǎo)熱片經(jīng)對流換熱帶走一部分熱量，從而緩解了電池溫度的升高，而且隨著電池溫度增加，冷卻空氣與導(dǎo)熱片對流換熱帶走的熱量越多，所以電池溫度上升得越緩慢。

表2 溫度控制效果對比

圖7 熱管理系統(tǒng)最高溫度對比圖

當(dāng)耦合熱管理系統(tǒng)的冷卻空氣流速為1m/s，溫度為28℃時(shí)，不同充放電倍率下電池最大溫差如圖8所示。由圖可知，隨著充放電倍率的增加，電池最大溫差隨之增加，在電池充放電倍率為4C時(shí)，電池最大溫差上升到4.3℃，但溫差均未超過允許值5℃。

圖8 不同充放倍率時(shí)電池最大溫差

電池充放電倍率為4C時(shí)，耦合熱管理系統(tǒng)下電池溫差變化如圖9所示。由圖可知，電池溫差的變化經(jīng)歷了四個(gè)階段：首先是在前20min內(nèi)，即相變材料還沒有開始融化時(shí)，電池組頂部靠近對流換熱區(qū)，其換熱量比電池組底部遠(yuǎn)離對流換熱區(qū)的換熱量大，因此電池模塊頂部溫度比電池模塊底部溫度低，所以造成了電池溫差并持續(xù)上升；其次是20min到50min時(shí)間段內(nèi)，即相變材料發(fā)生相變開始融化到完全融化這段時(shí)間，這時(shí)電池產(chǎn)生的熱量被相變材料相變潛熱吸收，電池溫度穩(wěn)定在相變溫度范圍內(nèi)，此時(shí)電池溫差減小，且穩(wěn)定在最低點(diǎn)1.4℃；第三個(gè)階段是50min到78min之間，該階段電池溫差出現(xiàn)了突變上升，這是因?yàn)殡姵啬K底部的相變材料首先完全融化，電池溫度會迅速上升，而電池模塊頂部的相變材料由于靠近對流換熱區(qū)，所以還沒有完全融化，因此電池溫度穩(wěn)定在相變溫度范圍內(nèi)，所以使得電池溫差迅速升高達(dá)到最大為4.3℃；第四個(gè)階段是78min后，電池模塊頂部相變材料也完全融化，這時(shí)電池溫差又開始減小。

圖9 耦合熱管理系統(tǒng)電池溫差

圖10和圖11分別為電池表面溫度云圖和電池組=63.5mm截面的溫度云圖。由圖可知，形成電池溫差的原因主要包括兩方面：一方面是電池組上部分靠近對流換熱區(qū)造成電池上部溫度低于電池下部溫度；另一方面是耦合熱管理系統(tǒng)中對流換熱區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)段處，導(dǎo)熱片先與冷卻空氣進(jìn)行對流換熱，當(dāng)冷卻空氣流到靠近出風(fēng)段處時(shí)溫度會升高，此時(shí)冷卻空氣與導(dǎo)熱片的對流換熱量減小，導(dǎo)致靠近進(jìn)風(fēng)段處的電池溫度低于靠近出風(fēng)段處的電池溫度。

圖10 Z=63.5mm截面的溫度云圖

圖11 電池表面溫度云圖

3 結(jié)論

因?yàn)樵诟弑堵食浞烹娗闆r下，相變材料熱管理系統(tǒng)將電池最高溫度控制在50℃以下的時(shí)間較短。所以本文對相變材料熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，形成了相變材料與空氣耦合的熱管理系統(tǒng)。并將耦合熱管理系統(tǒng)與相變材料熱管理系統(tǒng)對溫度的控制效果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明：（1）耦合熱管理系統(tǒng)將電池最高溫度控制在50℃以下的時(shí)間更長，且當(dāng)電池充放電倍率為1C時(shí)，耦合熱管理系統(tǒng)將電池最高溫度控制在50℃以下的時(shí)間超過了10個(gè)小時(shí)。（2）雖然采用耦合熱管理系統(tǒng)時(shí)，電池組的溫差比采用相變材料熱管理系統(tǒng)時(shí)電池組的溫差要大，但是采用耦合熱管理系統(tǒng)時(shí)，電池組的最大溫差為4.4℃，滿足電池組溫差不超過5℃的要求。因此可以說明，耦合熱管理系統(tǒng)對電池組的溫度控制效果比相變材料熱管理系統(tǒng)對電池組的溫度控制效果更好。

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Research on Temperature Control of Battery Module Based on Phase Change Material and Air Coupled Thermal Management System

Feng Mingxu Bi Haiquan Qin Ping Wang Honglin

( School of mechanical engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

When the battery is charged and discharged, the temperature is too high or the temperature uniformity is poor, which will not only affect the battery capacity and service life, but also cause serious safety problems. In this paper, the effect of the thermal management system of phase change material on the temperature of the battery composed of lithium titanate battery is analyzed by fluent simulation software. Based on the thermal management system of phase change material, the phase change material and air coupling thermal management system is formed. Finally, the thermal management system of phase change material and the coupling heat management system are compared and analyzed. The results show that the coupling thermal management system can control the maximum temperature of the battery more than 50 degrees.

battery; numerical calculation; phase change material; coupled thermal management system

TK124/TU831

A

1671-6612（2018）02-201-06

馮明旭（1990.05-），男，在讀碩士研究生，E-mail：yjmxfeng@163.com

畢海權(quán)（1974.12-），男，博士，教授，E-mail：bhquan@163.com

2017-06-02