雙層相變材料結(jié)構(gòu)的圓柱形鋰離子電池相變冷卻模塊仿真分析

(浙江大學(xué)，浙江 杭州 310012)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展方向逐漸轉(zhuǎn)向新能源汽車(chē)，帶動(dòng)了鋰離子動(dòng)力電池行業(yè)的快速發(fā)展。然而，鋰離子電池性能受溫度影響極大，當(dāng)電池溫度高于40 ℃時(shí)，鋰離子電池的壽命會(huì)極速衰減，高于60 ℃則會(huì)出現(xiàn)熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。鋰離子電池能量密度要求的上升意味著電池在散熱表面積不變的前提下產(chǎn)熱增加，這對(duì)熱管理手段提出了越來(lái)越高的要求。

相變材料是一種能在一定溫度范圍內(nèi)改變自身物理狀態(tài)的材料[1]，在這個(gè)過(guò)程中可以?xún)?chǔ)存能量，使用相變材料對(duì)電池進(jìn)行冷卻能量利用率高，且與各種形狀的電池都能很好的匹配。但是相變材料僅能在其未完全熔化時(shí)發(fā)揮控制電池溫度的作用，目前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究中使用的單相變材料結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)多變的電池運(yùn)行溫度和環(huán)境溫度。許多研究人員選擇了將相變材料與其他冷卻方案耦合，許可俊[2]在復(fù)合相變材料的基礎(chǔ)上增加了半導(dǎo)體制冷技術(shù)，提升了熱管理系統(tǒng)的適應(yīng)性。Jiahao Cao[3]等研究了將相變冷卻與液冷手段耦合，采用了延遲液冷策略，充分利用了相變材料的潛熱和導(dǎo)熱性能。何曉帆[4]將相變材料冷卻與液冷手段耦合設(shè)計(jì)了一種復(fù)合型熱管理系統(tǒng)。并對(duì)熱管理系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，同樣采取延遲液冷策略，降低了系統(tǒng)的能耗。但這些研究為了提高環(huán)境適應(yīng)度，通常需要引入主動(dòng)控溫手段，不同程度增加了系統(tǒng)的能耗和復(fù)雜度。而面臨類(lèi)似問(wèn)題的建筑行業(yè)則提出了使用雙層相變材料，Meng[5]等在上海地區(qū)提出了一種新型的相變房間，將兩種不同的相變材料放置在房間中，將夏季室內(nèi)氣溫波動(dòng)降低4.3 ℃， 冬季降低 14.2 ℃。該方案基本不增加能耗，但電池相對(duì)于建筑產(chǎn)熱效率高，多層相變材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用于電池?zé)峁芾淼男Ч€有待研究。

本文設(shè)計(jì)了一套用于圓柱形鋰離子電池的雙層相變材料結(jié)構(gòu)的相變冷卻模塊，采用數(shù)值模擬的方法研究了該模塊用于電池冷卻的效果。首先研究了該結(jié)構(gòu)用于電池散熱的可行性，然后研究了相變材料性能和布置方式對(duì)電池表面溫度的影響，即找出雙層相變材料結(jié)構(gòu)用于電池冷卻的最佳方案。主要工作涉及冷卻模塊的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1 數(shù)值方法

1.1 幾何模型

采用三星公司的21700-M50E型圓柱形三元鋰離子電池，電池額定容量為4.9 Ah。為降低建模難度，提高仿真計(jì)算速度，建模忽略電池正負(fù)極結(jié)構(gòu)，包裹在相變材料中。文中提到的相變材料為魯爾能源公司研制的石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料，一共使用了四種性能不同的相變材料，編號(hào)為PCM1～PCM4。兩層相變材料厚度均為3 mm，中間使用厚度為1 mm的鋁合金方管隔開(kāi)，外層使用厚度同樣為1 mm的鋁合金方管固定。相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)由基于瞬態(tài)平面熱源法的TPS 2500S導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)得，相變點(diǎn)、比熱容及潛熱則由熱流型差示掃描量熱儀(DSC)Q200測(cè)得的DSC曲線(xiàn)計(jì)算獲得。建模及網(wǎng)格劃分在hypermesh上進(jìn)行，仿真計(jì)算和后處理使用美國(guó)Ansys公司研制的大型通用有限元分析軟件Ansys進(jìn)行數(shù)值模擬。鋰離子電池和四種相變材料的基本參數(shù)陳列在表1和表2中，仿真模型如圖1所示。

表1 電池的規(guī)格參數(shù)

表2 PCM的基本參數(shù)

圖1 冷卻模塊模型

1.2 電池產(chǎn)熱模型

為指導(dǎo)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要研究電池在不同使用條件下的產(chǎn)熱散熱模型，建立鋰離子電池?zé)崮Ｐ?。目前，最常使用的是Bernadi產(chǎn)熱模型，其表達(dá)式如下：

其中開(kāi)路電壓所影響的不可逆熱也可以通過(guò)假設(shè)電池單體為均勻發(fā)熱體，利用電池直流內(nèi)阻R來(lái)等效電池產(chǎn)熱，因此經(jīng)簡(jiǎn)化后可表示為：

電池內(nèi)阻通過(guò)混合功率脈沖特性(HPPC)測(cè)試測(cè)得，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參考《FreedomCAR功率輔助型混合電動(dòng)車(chē)電池測(cè)試》和GB/T 31467.1—2015。電池熵?zé)嵯禂?shù)測(cè)試方法參考有關(guān)論文，將電池調(diào)至所需SOC后靜置20 h消除極化后記錄電池開(kāi)路電壓U，隨后調(diào)節(jié)恒溫箱溫度至T1，靜置3 h待電壓穩(wěn)定后記錄開(kāi)路電壓U1，再次調(diào)節(jié)恒溫箱溫度至T2，靜置3 h待電壓穩(wěn)定后記錄開(kāi)路電壓U2，得到dU/dT。

將電池內(nèi)阻和熵?zé)嵯禂?shù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行擬合，得到關(guān)系式：

U=74.2-1.224T-135.1SOC+0.01304T2+0.01298T·SOC+54.86SOC2

式中：R—電池內(nèi)阻，mΩ；SOC—電池荷電狀態(tài)；T—溫度，℃；dU/dT—電池熵?zé)嵯禂?shù)，mV/K。

1.3 PCM模型

對(duì)于求解PCM的熔化和凝固過(guò)程，Ansys Fluent軟件中有專(zhuān)門(mén)的Solidification/Melting模型，為了簡(jiǎn)化模擬，需做出如下假設(shè)：①相變材料液相區(qū)為牛頓不可壓縮流體，液相區(qū)的自然對(duì)流為層流；②固液相變引起的體積變化可以忽略；③相變材料的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)與溫度無(wú)關(guān)；④相變材料均勻一致且各向同性；⑤忽略全系統(tǒng)各組成部分之間的接觸熱阻[6]。

邊界條件對(duì)相變冷卻模組進(jìn)行仿真時(shí)，設(shè)置初始條件為：

t=0；T(x，y，z)=T0

式中，t為時(shí)間，T0為初始溫度，本文中初始溫度與環(huán)境溫度相同。

鋰離子電池與PCM、PCM與鋁合金方管、PCM與外界環(huán)境的邊界條件滿(mǎn)足：

式中，kbat、kAl、kPCM、h分別代表電池的導(dǎo)熱率、鋁合金的導(dǎo)熱率、PCM的導(dǎo)熱率和空氣對(duì)流系數(shù)；Tm代表環(huán)境溫度；n代表x，y，z三個(gè)正交方向[7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 采用單層PCM冷卻的鋰離子電池

圖2和圖3分別展示了鋰離子電池在僅使用PCM1和PCM2包裹時(shí)，在不同環(huán)境溫度下以2C倍率放電時(shí)的表面最高溫度的上升曲線(xiàn)。表4、表3則顯示了使用PCM后，放電結(jié)束時(shí)電池表面的終點(diǎn)溫度和最大溫差。

圖2 不同環(huán)境溫度下，使用PCM1包裹電池時(shí)>電池表面的最高溫度-時(shí)間曲線(xiàn)

圖3 不同環(huán)境溫度下，使用PCM2包裹電池時(shí)電池表面的最高溫度-時(shí)間曲線(xiàn)

表3 電池-單層PCM模塊內(nèi)電池表面的

從圖表中可以看出，使用相變材料有助于減小電池表面溫差，且大部分情況下，電池的溫度被穩(wěn)定在相變材料的相變溫度范圍內(nèi)。但是，當(dāng)使用相變溫度較低(37 ℃)的相變材料時(shí)，如圖4(a)所示，過(guò)高的環(huán)境溫度會(huì)使相變材料在電池開(kāi)始放電前已完全液化，此時(shí)PCM潛熱已完全耗盡，無(wú)法有效吸收電池產(chǎn)熱。使用相變溫度更高(41 ℃)的材料可以解決這一問(wèn)題，但此時(shí)如圖4(b)所示，電池常溫下放電結(jié)束時(shí)PCM的液相率幾乎為0，潛熱沒(méi)有發(fā)揮作用；而且放電結(jié)束時(shí)電池表面溫度均高于電池最佳工作溫度(20～40 ℃)，在電池老化方面存在不利影響。也就是說(shuō)，使用單一相變材料，在環(huán)境的適應(yīng)性方面存在問(wèn)題。

圖4 特定條件下PCM的液體體積分?jǐn)?shù)

2.2 采用雙層PCM冷卻的鋰離子電池

圖5為上文所設(shè)計(jì)的雙層相變材料冷卻模塊在不同溫度下的電池表面最高溫度的時(shí)間變化曲線(xiàn)。表4為電池-雙層PCM模塊和電池-單層PCM的對(duì)比。

圖5 不同環(huán)境溫度下，電池-雙層PCM模塊中電池的表面最高溫度

表4 雙層PCM-電池的最高溫度

可以看到，大部分使用環(huán)境下，雙層PCM-電池模塊的散熱能力強(qiáng)于使用單層相變材料的電池。而當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到35 ℃或40 ℃，接近內(nèi)外層相變材料的相變范圍時(shí)，由于實(shí)際通過(guò)潛熱的形式吸收熱量相變材料的量減少，電池溫度分別上升了2.22 ℃和2.68 ℃，但仍然處于可接受的范圍。因此可以得出結(jié)論：使用雙層相變材料可以提高相變冷卻模塊的環(huán)境適應(yīng)性。

2.3 PCM性能與布置方式對(duì)電池溫度的影響

石蠟作為應(yīng)用廣泛的有機(jī)相變材料，存在著導(dǎo)熱性較差的缺陷，因此在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要添加導(dǎo)熱性能強(qiáng)的其他材料制成復(fù)合相變材料，但又會(huì)帶來(lái)潛熱下降的問(wèn)題。為了探究雙層PCM結(jié)構(gòu)中PCM性能與布置方式對(duì)電池溫度的影響，設(shè)計(jì)了以下幾種組合方案，列在表5中。

表5 PCM布置方案

圖6顯示了方案一到方案五在25 ℃環(huán)境溫度下電池表面最高溫度的變化情況。由于方案一與方案三的曲線(xiàn)幾乎重合，圖7截取了方案一和方案三在第800 s到第900 s區(qū)間的溫度變化曲線(xiàn)。表6為放電結(jié)束時(shí)不同方案下的電池表面最高溫度。

圖6 不同布置方案下的電池表面溫度 圖7 方案一與方案三的局部溫度對(duì)比

表6 不同方案的電池表面最高溫度

相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)電池表面最高溫度有著極其明顯的影響，不同方案間電池表面的最大溫差達(dá)到了2.82 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)內(nèi)低外高的方案二相比導(dǎo)熱系數(shù)內(nèi)高外低的方案三，溫度也有1.23 ℃的差距，而方案三與方案一溫差幾乎相同，可以得出結(jié)論，內(nèi)層相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)相比外層相變導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)電池溫降的影響更大。考慮到雙層相變材料結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度接近所使用材料的相變范圍時(shí)會(huì)出現(xiàn)較明顯的溫升，而這種溫升是由于材料潛熱引起，基于前述結(jié)論，可以通過(guò)內(nèi)層布置導(dǎo)熱性較好、潛熱較低的PCM，外層布置導(dǎo)熱性較差、潛熱較高的PCM，進(jìn)一步提升相變冷卻模塊的環(huán)境適應(yīng)性。

圖8顯示了方案一、方案三和方案五在環(huán)境溫度為35 ℃以及40 ℃時(shí)電池表面的溫度變化，表7為不同環(huán)境溫度下，三種方案控溫效果的對(duì)比。

圖8 35 ℃和40 ℃時(shí)方案一、三、五的電池溫度對(duì)比

表7 不同環(huán)境溫度下三種方案的最高溫度

從圖中可以看出，高溫情況下，方案五有效抑制了電池在放電臨近結(jié)束時(shí)出現(xiàn)的溫度迅速上升的現(xiàn)象，與使用單一的PCM1相比， 35 ℃環(huán)境溫度時(shí)溫度僅升高了0.52 ℃，40 ℃時(shí)溫度則降低了16.67 ℃，而與使用單一的PCM2相比，環(huán)境溫度35 ℃時(shí)溫度降低了4.34 ℃，40 ℃時(shí)僅升高了0.69 ℃。而在溫度較低時(shí)，方案五相較其他兩個(gè)方案控溫效果較差，但仍將電池表面溫度控制在了電池最佳工作范圍內(nèi)。綜合考慮，方案五的控溫效果更佳，環(huán)境適應(yīng)能力更好。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)圓柱形鋰離子電池設(shè)計(jì)了一種新型的雙層相變材料冷卻模塊。首先研究了單層相變材料和雙層相變材料結(jié)構(gòu)在控制電池溫度方面的優(yōu)劣。并探究了相變材料性能和布置方式對(duì)電池溫度的影響，進(jìn)一步優(yōu)化了雙層相變材料冷卻模塊的環(huán)境適應(yīng)性，結(jié)論如下。

1)使用雙層相變材料結(jié)構(gòu)的相變模塊可以有效的適應(yīng)環(huán)境溫度變化。

2)在布置相變材料時(shí)，應(yīng)將導(dǎo)熱性較好、潛熱較差的相變材料布置在內(nèi)側(cè)，導(dǎo)熱性較差的相變材料布置在外側(cè)。