基于相變散熱和電阻絲加熱的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

付樂群，曹鼎鈺，宋葉帆

基于相變散熱和電阻絲加熱的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

付樂群，曹鼎鈺，宋葉帆

（武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

提出了一種在高溫環(huán)境下可利用相變、液冷、風(fēng)冷耦合散熱，在低溫環(huán)境下可利用電阻絲加熱的動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析了其工作原理。建立了系統(tǒng)整體三維模型，利用fluent進行風(fēng)冷流道分析，得到風(fēng)冷通道溫度分布云圖。仿真分析表明，文丘里管流道可有效減緩并行風(fēng)冷中間溫度聚積的情況。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)；相變散熱；耦合；fluent仿真

1 引言

隨著電動汽車的發(fā)展，動力電池逐漸引起大眾的關(guān)注，其必須擁有大功率、高容量才能滿足電動汽車動力和續(xù)航能力的需求。而蓄電池在充放電過程中發(fā)生的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)往往伴隨著大量熱量的產(chǎn)生，雖然溫度上升，電池內(nèi)阻變小，性能提升，但過高的溫度將會破壞電池，Li-ion電池在45 ℃環(huán)境下工作使用壽命減少50%，大量熱量的產(chǎn)生不僅會大大縮短蓄電池的使用壽命，更會產(chǎn)生過熱、燃燒、爆炸等嚴(yán)重威脅人類自身的安全問題。而低溫會導(dǎo)致蓄電池出現(xiàn)放電深度不夠甚至無法放電的情況。

目前，國內(nèi)外對電動汽車動力電池?zé)峁芾淼难芯恐饕性趯恿﹄姵氐睦鋮s上，對冬季高寒地區(qū)動力電池加熱保溫的研究較少。目前主要研究的冷卻方法包括液冷、空冷、相變散熱、冷板等散熱方式或幾種散熱方式耦合的主動或被動式散熱[1]，文獻[2]對空氣冷卻、液體冷卻、相變傳熱冷卻和熱管冷卻的優(yōu)缺點進行了詳細對比分析?，F(xiàn)有的研究中，很少有將多種冷卻方式以及動力電池的加熱和保溫進行耦合。因此，迫切需要一種在高溫時能對電池進行散熱，在低溫時能對電池進行加熱或保溫，使電動汽車動力電池性能一直保持最佳狀態(tài)的熱管理系統(tǒng)。

2 動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)工作流程

動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)共有兩種工作模式，可分別對應(yīng)于高溫時的電池散熱和低溫時的保溫加熱，當(dāng)本系統(tǒng)開始工作時，溫度傳感器檢測相變材料溫度，如果相變材料溫度過低，控制器控制出風(fēng)口和進風(fēng)口關(guān)閉，再通過電阻絲直接對電池進行加熱，直到溫度傳感器檢測到相變材料溫度變化并達到其對應(yīng)的相變溫度時停止加熱。

如果本系統(tǒng)開始工作時檢測到相變材料溫度高于設(shè)定溫度值，根據(jù)當(dāng)前相變材料的溫度將采取多種不同的方式進行散熱降溫處理。如果相變材料溫度未達到其熔點，則可直接采用相變冷卻的方式來降低電池組的溫度，在此情況下，只需利用汽車行駛過程中的風(fēng)經(jīng)空冷散熱系統(tǒng)輔助相變材料進行散熱。如果動力電池產(chǎn)熱量較大，此方法無法降低電池溫度，本系統(tǒng)將采用液冷方式對相變材料進行散熱，此種方法極大地降低了風(fēng)機的啟停頻率，延長了風(fēng)機的使用壽命，同時降低了由于頻繁啟停而造成的能量損耗。

3 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理設(shè)計

3.1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于不同動力所需動力電池的數(shù)量不同，因此本系統(tǒng)除控制系統(tǒng)外將單個動力電池制作成一個單獨的熱管理單元。動力電池四周被相變材料所包圍，兩者可直接進行熱量交換，由于相變材料吸熱后會變成液態(tài)，因此其外包裹有相變材料封裝殼，加熱電阻絲埋于相變材料靠近動力電池側(cè)，可直接對電池進行加熱。由于相變材料的導(dǎo)熱率較低，需耦合空冷或液冷進行散熱。液冷模塊主要由二位四通換向閥、蛇形銅管、冷凝管、增壓泵等組成，蛇形銅管埋于相變材料中，其在每一個模塊都設(shè)有一個冷卻工質(zhì)入口和一個冷卻工質(zhì)出口，其分別有兩種連接方式，冷卻工質(zhì)入口既可與進口連接管道相連，也可與前一個模塊的冷卻工質(zhì)出口通過U形連接管相連，冷卻工質(zhì)出口既可以與后一個模塊的冷卻工質(zhì)入口通過U形連接管相連，也可以與出口連接管道相連。

動力電池組外部通過箱體外殼包裹，箱體外殼與動力電池之間設(shè)有間隙，形成風(fēng)冷通道，在箱體外殼兩端分別設(shè)有與風(fēng)冷通道相通的進風(fēng)口和出風(fēng)口，進出風(fēng)口都設(shè)有進出風(fēng)門，由控制器控制其開合，該部分打開時可借助汽車行駛過程中的風(fēng)，將相變材料中所儲存的熱量帶走，此部分共同構(gòu)成風(fēng)冷系統(tǒng)。

冷卻模塊將進入該模塊的高溫冷卻工質(zhì)冷卻降溫并輸出，冷卻工質(zhì)入口通過內(nèi)循環(huán)支路直接與二位四通電磁閥的第二出口相連。冷凝管支路和內(nèi)循環(huán)支路并聯(lián)與進口連接管道串聯(lián)，內(nèi)循環(huán)支路起到將冷凝管和增壓泵旁通作用。

1—動力電池；2—蛇形銅管；3—冷卻工質(zhì)出口；4—U形連接管；5—冷卻工質(zhì)入口；6—電阻絲加熱片；7—箱體外殼；8—相變材料；9—出口連接管道；10—溫度傳輸線路；11—控制器；

3.2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)原理設(shè)計

啟動時，溫度傳感器檢測到相變材料溫度升高到其相變溫度后一段時間，控制器將控制二位四通電磁閥打開冷凝管支路，之后開啟增壓泵，此時增壓泵將帶動蛇形銅管中的冷卻液開始流動，由于蛇形銅管分布于相變材料中，因此相變材料所存儲的熱量將通過蛇形銅管被其中的冷卻液吸收，被加熱的冷卻液將沿著蛇形銅管通過出口連接管道流入冷凝管，經(jīng)冷卻過后的冷卻液重新被增壓泵壓入蛇形銅管，不斷循環(huán)，使相變材料始終保持固體狀態(tài)，維持其散熱效果，直到溫度傳感器檢測到相變材料溫度開始下降時，控制器控制增壓泵關(guān)閉，控制二位四通電磁閥關(guān)閉冷凝管支路，打開內(nèi)循環(huán)支路，相變材料的溫度降利用風(fēng)冷通道逐漸下降至室溫。當(dāng)啟動時溫度傳感器檢測到相變材料溫度過低時，控制器控制進出風(fēng)門關(guān)閉，再控制電阻絲加熱片工作，電熱絲直接對電池進行加熱。當(dāng)電阻絲加熱時，二位四通電磁閥打開內(nèi)循環(huán)支路，由于電池箱各處的溫度不同，因此電池箱不同部位的冷卻液將形成溫差，導(dǎo)致冷卻液相互混合流動，此過程可使電池箱各處的溫差減小。如果行駛過程中由于放電過大導(dǎo)致溫度急劇升高，可通過打開風(fēng)冷通道的方式輔助散熱，在溫度下降時及時關(guān)閉風(fēng)冷通道。

4 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)風(fēng)冷通道仿真分析

由于本系統(tǒng)中需要利用汽車行駛過程中所產(chǎn)生的風(fēng)對動力電池進行風(fēng)冷散熱，因此為增強風(fēng)冷散熱的效果，本系統(tǒng)需要對風(fēng)冷的流道結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，本文采用workbench中的fluent軟件對所設(shè)計的文丘里流道進行仿真分析。

文丘里管設(shè)置兩個進口和一個出口，假設(shè)動力電池組溫度為50 ℃，環(huán)境溫度為30 ℃，流速為10 m/s，根據(jù)空氣在30 ℃下的物理性質(zhì)可知，空氣的密度為1.13 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 W/（m·K），比熱容=1.003 kJ/（kg·K），粘度為0.018 59 Pa·s，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，選擇湍流模型，根據(jù)設(shè)置好的邊界調(diào)節(jié)求解其能量方程，得出該結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖，如圖2所示。

圖2 風(fēng)冷通道溫度分布云圖

由圖2可以看出，通過文丘里管結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以利用汽車行駛產(chǎn)生的風(fēng)將動力電池中積聚的熱量帶走，增強相變散熱的效果。

5 總結(jié)與展望

本文在現(xiàn)有的動力電池散熱方式基礎(chǔ)上，提出一種在高溫環(huán)境下可利用相變散熱、液冷散熱和風(fēng)冷散熱耦合的散熱方法，在低溫環(huán)境下可利用電阻絲加熱的動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，同時為增強風(fēng)冷的效果，解決并行風(fēng)冷中間部分溫度聚積的問題，利用fluent建立了文丘里管三維模型，并完成了該流道中的溫度分布云圖。仿真結(jié)果表明，使用文丘里流道可以解決并行散熱時中間部分溫度聚積的問題，為電動汽車電池?zé)峁芾硖峁┝艘环N新的方法和思路。

本方法可用于電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，使電池始終保持在最合適溫度下工作，提高電池放電深度，延長電池的使用壽命，減少廢舊電池的污染。

［1］姜貴文，李敬會，黃菊花，等.相變材料和液冷耦合散熱的鋰電池?zé)峁芾硌芯浚跩］.電源技術(shù)，2018，42（10）：1462-1465，1485.

［2］嚴(yán)佳佳.基于相變散熱的動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究［D］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2017.

［3］饒中浩，張國慶.電池?zé)峁芾恚跰］.北京：科學(xué)出版 社，2015.

TM912

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.045

2095－6835（2019）17－0099－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕