泡沫銅增強(qiáng)型導(dǎo)熱硅膠的電池?zé)峁芾矸抡?/h1>
2021-03-28 04:29:44吳錫鴻
科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年6期
吳錫鴻
（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州510006）
1 概述
電池模組是電動(dòng)汽車(chē)最重要的部件，在電池使用壽命期限內(nèi)，會(huì)進(jìn)行反復(fù)的充放電。而在實(shí)際使用過(guò)程中，鋰離子電池的性能與溫度密切相關(guān)[1]。因此，必須要解決配合額外的散熱部件以控制電池模組的溫度和溫差[2,3]。導(dǎo)熱硅膠，以其自身較高的導(dǎo)熱率、優(yōu)異的絕緣性能、良好的柔性和彈性能力等特性，在該領(lǐng)域擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[4]。
目前，導(dǎo)熱硅膠應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究主要為液體冷卻方式，然而液體冷卻方式會(huì)大幅度提升整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。另外，液體冷卻方式的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)存在著冷卻劑泄漏的隱患[5]。因此，在本研究中將泡沫銅增強(qiáng)型導(dǎo)熱硅膠以耦合強(qiáng)制對(duì)流的方式應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，并通過(guò)理論分析方法對(duì)比傳統(tǒng)塊狀泡沫銅增強(qiáng)型導(dǎo)熱硅膠（block-copper foam-silica gel, b-CF-SG）與新型管狀泡沫銅增強(qiáng)型導(dǎo)熱硅膠（tube-copper foam-silica gel, t-CF-SG）的控溫性能，進(jìn)而提出一種行之有效的電池?zé)峁芾聿呗浴?/p>
表1 b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型具體參數(shù)
2 仿真模型建立
2.1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)
如圖1 所示，模型結(jié)構(gòu)分別按照b-CF-SG 和t-CF-SG 耦合強(qiáng)制對(duì)流，在電池模組中進(jìn)行仿真計(jì)算。所選電池為18650 型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，電池之間的中心間距為26mm，具體參數(shù)如表1 所示。在b-CF-SG 中，模塊的尺寸為156mm×104mm×65mm；在t-CF-SG 中，所選用的SG 厚度為3mm，高度為65mm。強(qiáng)制對(duì)流的風(fēng)速為3m/s，進(jìn)出風(fēng)口的尺寸均為124mm×65mm。
2.2 電池散熱系統(tǒng)計(jì)算模型
動(dòng)力電池的能量守恒方程如下：
圖1 b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型耦合強(qiáng)制對(duì)流示意圖
式中，ρ 表示電池的平均密度，Cp表示電池的比熱容，k 表示電池的平均導(dǎo)熱系數(shù)，x、y、z 分別表示電池的厚度、高度和寬度的方向。
空氣能量守恒方程如下：矢量。
空氣的連續(xù)性方程如下：式中，P 表示空氣的靜態(tài)壓強(qiáng)，μ 表示空氣的動(dòng)力粘度。
為了提高的計(jì)算精度，采用混合網(wǎng)格劃分。假設(shè)入口處的強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)速是均勻的，且忽略CF-SG 與電池之間的接觸熱阻。單體動(dòng)力電池3C 放電倍率下的平均發(fā)熱功率為3.713W[6]，整個(gè)系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度設(shè)為25℃，與電池模型的初始溫度一致，進(jìn)出口空氣溫度設(shè)定為25℃。CFSG、空氣、鋰離子電池的物性參數(shù)如下表2 所示。
表2 CF-SG、空氣、鋰離子電池的物性參數(shù)
3 結(jié)果與討論
3.1 b-CF-SG 模型與t-CF-SG 模型的溫度場(chǎng)分析
3.2 b-CF-SG 模型與t-CF-SG 模型的控溫性能
為了分析兩個(gè)模型中電池的控溫情況，我們選取了如圖3a和3b 所示的四個(gè)電池，實(shí)時(shí)監(jiān)控其溫度變化，并使用ORIGIN軟件繪制溫度變化曲線(xiàn)。由圖3c 和圖3d 可看出，不論是b-CF-SG 模型還是t-CF-SG 模型，處于邊緣區(qū)的1 號(hào)電池的溫度總是最低的，而同樣處于邊緣區(qū)的4 號(hào)電池溫度高于1 號(hào)電池。這是因?yàn)? 號(hào)電池距離入風(fēng)口最近，對(duì)流換熱的效果也最好，而4 號(hào)電池已是在出風(fēng)口附近，換熱效果較差。同樣的，中心區(qū)的2 號(hào)電池的溫度也明顯低于處于對(duì)稱(chēng)點(diǎn)上的3 號(hào)電池。
然而，除了3 號(hào)電池，t-CF-SG 模型其他電池的溫度都明顯低于b-CF-SG 模型。例如，t-CF-SG 模型1 號(hào)電池的最高溫度僅為47.2℃，而b-CF-SG 模型中，1 號(hào)電池的溫度高達(dá)53.7℃；而作為中心區(qū)的3 號(hào)電池，t-CF-SG 模型與b-CF-SG 模型均為58.3℃。
3.3 b-CF-SG 模型與t-CF-SG 模型的流場(chǎng)分析
圖2 3C 倍率放電1200s 后，b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型的溫度云圖
相比于b-CF-SG 模型，t-CF-SG 模型的優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為兩點(diǎn)：a.較大的散熱面積。如表1 所示，t-CF-SG 模型的散熱面積為b-CF-SG 模型的3.4 倍，這對(duì)于提升電池?zé)峁芾砟K的二次散熱是至關(guān)重要的；b.流場(chǎng)的優(yōu)化。t-CF-SG 模型具備更好的流道，來(lái)使空氣更好地與CFSG 換熱。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，我們繪制出了b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型在1200s 時(shí)的流場(chǎng)圖像。如圖4 所示，可以看出，t-CF-SG 模型的空氣流道分布更加均勻，與每個(gè)電池外包覆的CFSG 均有接觸。反觀(guān)b-CF-SG 模型，雖然在模組的兩側(cè)有較高的風(fēng)速，然而卻僅能直接冷卻CFSG的四周表面，對(duì)于中心區(qū)的2 號(hào)和3 號(hào)電池，無(wú)法有效地進(jìn)行對(duì)流換熱。然而，由于沿程損失過(guò)大，導(dǎo)致t-CF-SG 模型的空氣到第五排電池時(shí)的流速基本為0，亦無(wú)法對(duì)后排的電池進(jìn)行有效換熱。因此，盡可能的減小電池模組的長(zhǎng)度，減小模組兩側(cè)的流道寬度以及采用叉排布置的方式是設(shè)計(jì)更加有效的空氣流道的方向。
4 結(jié)論
本文以泡沫銅增強(qiáng)型導(dǎo)熱硅膠作為熱管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的b-CF-SG 模型與新型t-CF-SG 模型，更高的散熱面積和更均勻的流場(chǎng)分布讓t-CF-SG 模型的對(duì)流換熱能力得到了有效的提升。仿真結(jié)果表明，對(duì)于前排電池，新型的t-CF-SG 模型的溫度場(chǎng)、控溫性能與流場(chǎng)均優(yōu)于b-CF-SG 模型。例如，在t-CF-SG 模型中，位于邊緣區(qū)的1 號(hào)電池最高溫度僅為47.2℃，而b-CF-SG 模型中的3 號(hào)電池最高溫度則高達(dá)53.7℃。但對(duì)于后排電池來(lái)說(shuō)，冷卻效果反而降低。因此，盡可能的減小電池模組的長(zhǎng)度，減小模組兩側(cè)的流道寬度以及采用叉排布置的方式是下一步研究的重點(diǎn)。
圖3 (a-b)b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)；(c-d) b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型的溫度變化曲線(xiàn)
圖4 3C 倍率放電1200s 后，b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型的流場(chǎng)圖
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目前，導(dǎo)熱硅膠應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究主要為液體冷卻方式，然而液體冷卻方式會(huì)大幅度提升整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。另外，液體冷卻方式的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)存在著冷卻劑泄漏的隱患[5]。因此，在本研究中將泡沫銅增強(qiáng)型導(dǎo)熱硅膠以耦合強(qiáng)制對(duì)流的方式應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，并通過(guò)理論分析方法對(duì)比傳統(tǒng)塊狀泡沫銅增強(qiáng)型導(dǎo)熱硅膠（block-copper foam-silica gel, b-CF-SG）與新型管狀泡沫銅增強(qiáng)型導(dǎo)熱硅膠（tube-copper foam-silica gel, t-CF-SG）的控溫性能，進(jìn)而提出一種行之有效的電池?zé)峁芾聿呗浴?/p>
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如圖1 所示，模型結(jié)構(gòu)分別按照b-CF-SG 和t-CF-SG 耦合強(qiáng)制對(duì)流，在電池模組中進(jìn)行仿真計(jì)算。所選電池為18650 型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，電池之間的中心間距為26mm，具體參數(shù)如表1 所示。在b-CF-SG 中，模塊的尺寸為156mm×104mm×65mm；在t-CF-SG 中，所選用的SG 厚度為3mm，高度為65mm。強(qiáng)制對(duì)流的風(fēng)速為3m/s，進(jìn)出風(fēng)口的尺寸均為124mm×65mm。
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空氣的連續(xù)性方程如下：式中，P 表示空氣的靜態(tài)壓強(qiáng)，μ 表示空氣的動(dòng)力粘度。
為了提高的計(jì)算精度，采用混合網(wǎng)格劃分。假設(shè)入口處的強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)速是均勻的，且忽略CF-SG 與電池之間的接觸熱阻。單體動(dòng)力電池3C 放電倍率下的平均發(fā)熱功率為3.713W[6]，整個(gè)系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度設(shè)為25℃，與電池模型的初始溫度一致，進(jìn)出口空氣溫度設(shè)定為25℃。CFSG、空氣、鋰離子電池的物性參數(shù)如下表2 所示。
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然而，除了3 號(hào)電池，t-CF-SG 模型其他電池的溫度都明顯低于b-CF-SG 模型。例如，t-CF-SG 模型1 號(hào)電池的最高溫度僅為47.2℃，而b-CF-SG 模型中，1 號(hào)電池的溫度高達(dá)53.7℃；而作為中心區(qū)的3 號(hào)電池，t-CF-SG 模型與b-CF-SG 模型均為58.3℃。
3.3 b-CF-SG 模型與t-CF-SG 模型的流場(chǎng)分析
圖2 3C 倍率放電1200s 后，b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型的溫度云圖
相比于b-CF-SG 模型，t-CF-SG 模型的優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為兩點(diǎn)：a.較大的散熱面積。如表1 所示，t-CF-SG 模型的散熱面積為b-CF-SG 模型的3.4 倍，這對(duì)于提升電池?zé)峁芾砟K的二次散熱是至關(guān)重要的；b.流場(chǎng)的優(yōu)化。t-CF-SG 模型具備更好的流道，來(lái)使空氣更好地與CFSG 換熱。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，我們繪制出了b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型在1200s 時(shí)的流場(chǎng)圖像。如圖4 所示，可以看出，t-CF-SG 模型的空氣流道分布更加均勻，與每個(gè)電池外包覆的CFSG 均有接觸。反觀(guān)b-CF-SG 模型，雖然在模組的兩側(cè)有較高的風(fēng)速，然而卻僅能直接冷卻CFSG的四周表面，對(duì)于中心區(qū)的2 號(hào)和3 號(hào)電池，無(wú)法有效地進(jìn)行對(duì)流換熱。然而，由于沿程損失過(guò)大，導(dǎo)致t-CF-SG 模型的空氣到第五排電池時(shí)的流速基本為0，亦無(wú)法對(duì)后排的電池進(jìn)行有效換熱。因此，盡可能的減小電池模組的長(zhǎng)度，減小模組兩側(cè)的流道寬度以及采用叉排布置的方式是設(shè)計(jì)更加有效的空氣流道的方向。
4 結(jié)論
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圖3 (a-b)b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)；(c-d) b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型的溫度變化曲線(xiàn)
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