新型管狀相變材料熱管理系統(tǒng)的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究

吳錫鴻，葉國(guó)華，黃潤(rùn)業(yè)，張國(guó)慶，楊曉青，李新喜

（廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院, 廣東 廣州 510006）

隨著能源短缺與全球變暖狀況的日益加劇，發(fā)展電動(dòng)汽車被認(rèn)為是解決這些難題的有效方法，而動(dòng)力電池則是電動(dòng)汽車最重要的部件[1-3]。除了續(xù)航里程，電池模組的熱安全也在阻礙著電動(dòng)汽車的推廣[4-5]。過高的溫度和過大的溫差加快了動(dòng)力電池的壽命衰減，甚至可能引發(fā)熱失控[6-7]。近幾年，隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的需求，各種電池?zé)峁芾砑夹g(shù)紛紛出現(xiàn)，旨在解決動(dòng)力電池充放電過程中的散熱問題，達(dá)到控制電池模組的溫度和溫差的目的[8-9]。相變材料(Phase Change Material, PCM)以其自身的高潛熱、均溫性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等特性，逐漸成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)[10-12]。

目前，相變材料應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究主要集中在導(dǎo)熱系數(shù)、抗泄漏、阻燃等材料性能的研究，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究較少[13]。為了滿足實(shí)際需求，相變材料往往在添加穩(wěn)定劑(如環(huán)氧樹脂、低密度聚乙烯等)后制備為復(fù)合相變材料(Composite PCM, CPCM)[14-15]。所得到的CPCM比較容易被制備成板狀結(jié)構(gòu)，并且夾在方形電池的兩側(cè)，達(dá)到冷卻的目的。然而，由于圓柱型電池是彎曲表面，其冷卻結(jié)構(gòu)往往更加復(fù)雜。在大多數(shù)的研究中，CPCM都被制備為塊狀的結(jié)構(gòu)，隨后在其表面鉆孔，從而配合圓柱型電池的彎曲表面。雖然這種結(jié)構(gòu)依舊能達(dá)到冷卻電池模組的目的，然而，巨大的塊狀結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致散熱面積小，不利于電池模組的二次散熱。

因此，在本研究中提出了一種新型的管狀復(fù)合相變材料(tubular Composite PCM, t-CPCM)結(jié)構(gòu)，來替代傳統(tǒng)的塊狀復(fù)合相變材料(block-shaped Composite PCM, b-CPCM)結(jié)構(gòu)，不僅提高了散熱面積，同時(shí)優(yōu)化了流道。首先使用數(shù)值仿真的方法，分析這兩種電池模組所對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化二維模型的流場(chǎng)分布；隨后通過這兩種電池模型仿真得出流場(chǎng)數(shù)據(jù)，使用熱阻分析法定量/定性計(jì)算其導(dǎo)熱熱阻和對(duì)流換熱熱阻；最后采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，在高溫工況下(40 ℃)對(duì)這兩種電池模組進(jìn)行高倍率充放電的測(cè)試，驗(yàn)證和評(píng)估這兩種電池模組的控溫和均溫效果，為后續(xù)熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)與仿真模型建立

1.1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，電池模組分別按照b-CPCM和t-CPCM耦合強(qiáng)制對(duì)流的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。所選電池為18 650型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，電池之間的中心間距為26 mm，具體參數(shù)如表1所示。在b-CPCM電池模組中，模塊的尺寸為156 mm×104 mm×55 mm；在t-CPCM電池模組中，所選用的CPCM厚度為3 mm，高度為55 mm，進(jìn)出風(fēng)口的尺寸均為124 mm×55 mm。

表1 b-CPCM模型和t-CPCM模組具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of b-CPCM module t-CPCM module

圖1 電池模組耦合強(qiáng)制對(duì)流示意圖Fig.1 Battery module coupled with forced convection diagram

1.2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的流場(chǎng)計(jì)算模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，使用CAD將b-CPCM和t-CPCM兩個(gè)仿真模型繪制成了如圖2所示的二維平面圖像，將進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速設(shè)置為1 m/s，并使用Ansys仿真軟件來研究?jī)蓚€(gè)模型在強(qiáng)制對(duì)流過程中的流場(chǎng)分布情況。

圖2 流場(chǎng)仿真計(jì)算模型與風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.2 Flow field simulation calculation model and velocity monitoring point

空氣的連續(xù)性方程為

式中：ρa(bǔ)為空氣的平均密度，v為空氣的速度矢量。空氣的動(dòng)量守恒方程為

式中：P為空氣的靜態(tài)壓強(qiáng)，μ為空氣的動(dòng)力黏度。

2 結(jié)果與討論

2.1 b-CPCM仿真模型與t-CPCM仿真模型的流場(chǎng)分布

如圖3(a)所示，b-CPCM仿真模型在600 s時(shí)流場(chǎng)集中于模型的兩側(cè)。雖然通過數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)其局部空氣流速可達(dá)到7.6 m/s，然而這種流場(chǎng)只能快速地通過對(duì)流換熱的方式冷卻模型的外側(cè)，中心位置的熱量卻需要通過熱傳導(dǎo)的方式逐漸傳遞至外側(cè)。這種不均勻的換熱方式極易導(dǎo)致模組內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的溫差，甚至有引發(fā)熱失控的風(fēng)險(xiǎn)；而t-CPCM仿真模型(見圖3(b))在600 s時(shí)的流場(chǎng)雖然兩側(cè)的空氣流速依舊較高，但卻在仿真模型的中心形成了均勻的流道，進(jìn)而使電池的中心區(qū)域也可以進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，這無異于在提升電池模組散熱效果的同時(shí)，也提升了模組內(nèi)部的均溫性。

圖3 600 s后，仿真模型的流場(chǎng)分布Fig.3 After 600 s, flow field distribution of simulation model

2.2 b-CPCM仿真模型與t-CPCM仿真模型的熱阻分析

由傳熱學(xué)的基本機(jī)理可知，在使用相變材料冷卻時(shí)，電池產(chǎn)生的熱量首先由相變材料吸收，隨后再傳遞至空氣中。因此，上述b-CPCM和t-CPCM兩個(gè)仿真模型的熱阻可以分為如圖4和式(3)所示的兩部分：熱量由電池表面?zhèn)鬟f至CPCM外側(cè)的導(dǎo)熱熱阻R1，以及熱量從CPCM外側(cè)傳遞至外部空氣的對(duì)流換熱熱阻R2。R1和R2的值可以通過式(4)和式(5)計(jì)算得出[16]。

圖4 CPCM的換熱熱阻Fig.4 Thermal resistance of CPCM

式中：δ為CPCM的當(dāng)量厚度，λCPCM為CPCM的導(dǎo)熱系數(shù)，h為外部空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，ASA為CPCM的內(nèi)部熱傳導(dǎo)面積，ASB為CPCM外側(cè)與外部空氣的對(duì)流換熱面積。

由前文可知，b-CPCM電池模組中處于邊緣的電池的當(dāng)量厚度δ與t-CPCM電池模組的近似相等；而處于b-CPCM電池模組中心區(qū)域的電池的當(dāng)量厚度δ則遠(yuǎn)比t-CPCM模型的大。另外，兩者的ASA近似相等，λCPCM相等。因此根據(jù)上述式(4)，t-CPCM仿真模型的R1遠(yuǎn)小于b-CPCM仿真模型的。

而根據(jù)式(5)，對(duì)流換熱熱阻R2的值由ASB與h決定。ASB已在表1中給出，只需計(jì)算兩個(gè)仿真模型與外部空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)h。在b-CPCM仿真模型的流場(chǎng)分布符合管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流模型，因此h可以通過式(6)～(11)獲得[17]。

式中：Nu為努賽爾數(shù)，Re為雷諾數(shù)，Prf為空氣的普朗特?cái)?shù)，lc為特征長(zhǎng)度，λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，f為“Darcy”阻力系數(shù)，d為當(dāng)量直徑，ct為修正系數(shù)，v為空氣流速，u為動(dòng)力黏度，α為熱擴(kuò)散率，Ac為流動(dòng)截面積，C為潤(rùn)濕周長(zhǎng)，Tf為流體平均溫度，Tw為壁面平均溫度。

由圖3(a)可看出，由于b-CPCM仿真模型的流場(chǎng)是對(duì)稱分布的，因此可以通過計(jì)算仿真模型的一半?yún)^(qū)域，以相加的方式來獲得b-CPCM電池模組整體的R2(R2-b)。本文根據(jù)模型內(nèi)外部空氣流速的不同，將b-CPCM仿真模型劃分成如圖5所示的3個(gè)區(qū)域，并分別命名為R2-b1，R2-b2，R2-b3。由于3個(gè)區(qū)域之間的熱阻是并聯(lián)的關(guān)系，因此可以使用式(12)來計(jì)算R2-b。

圖 5 不同外部空氣流速下，b-CPCM仿真模型的3個(gè)熱阻計(jì)算區(qū)域Fig.5 At different flow rates, the three thermal resistance calculation areas of the b-CPCM model

另外，在t-CPCM仿真模型中仿真模型的流場(chǎng)分布符合流體橫掠順排管束模型，因此可以根據(jù)式(13)計(jì)算h[17]：

式中：ε為修正系數(shù)，Prw為管壁的普朗特?cái)?shù)。

通過上述公式的計(jì)算后，將b-CPCM仿真模型與t-CPCM仿真模型所使用的參數(shù)與計(jì)算結(jié)果列于表2和表3中。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，b-CPCM仿真模型中，由于3個(gè)計(jì)算區(qū)域的雷諾數(shù)Re的計(jì)算結(jié)果均小于106，因此可以根據(jù)式(6)可以來計(jì)算Nu和h。

表2 b-CPCM仿真模型各計(jì)算參數(shù)Table 2 b-CPCM model calculation parameters

表3 t-CPCM仿真模型各計(jì)算參數(shù)Table 3 t-CPCM model calculation parameters

比較表2與表3的計(jì)算結(jié)果可知，根據(jù)式(5)和式(12)計(jì)算后可得出b-CPCM仿真模型的R2-b為16.4 K·W-1，而t-CPCM仿真模型的R2-t僅為0.8 K·W-1，是R2-b的1/20。因此，結(jié)合前面對(duì)導(dǎo)熱熱阻R1的討論結(jié)果后可以得出，t-CPCM仿真模型的總熱阻R遠(yuǎn)小于b-CPCM模型的R。

2.3 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的建立與測(cè)試

對(duì)b-CPCM和t-CPCM仿真模型的流場(chǎng)和熱阻分析后，依據(jù)圖1所設(shè)計(jì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了如圖6所示的b-CPCM電池模組與t-CPCM電池模組，以驗(yàn)證這兩種電池模組在實(shí)際工況下的熱管理性能。為了驗(yàn)證兩個(gè)電池模組在高溫工況下的散熱性能，將環(huán)境溫度設(shè)定為40 ℃，風(fēng)速設(shè)定為5 m/s，使用1 C倍率充電-擱置20 min-3 C倍率放電(1～3 C)的工步進(jìn)行測(cè)試，并記錄如圖7所示的4個(gè)電池的溫度。同時(shí)使用式(14)～(16)來定義中心溫度，邊緣溫度和溫差，用于評(píng)估兩個(gè)模組的電池?zé)峁芾硇阅堋?/p>

圖6 電池模組耦合強(qiáng)制對(duì)流實(shí)物圖Fig.6 Physical diagram of battery module coupled with forced convection

圖7 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.7 Temperature monitoring point

圖8為兩個(gè)電池模組在充放電過程中的溫度變化圖像。明顯可以看出，b-CPCM電池模組的中心溫度最高達(dá)51.0 ℃，超過了行業(yè)推薦的標(biāo)準(zhǔn)[18](≤50 ℃)。而t-CPCM電池模組的中心溫度僅為46.9 ℃。而另外一項(xiàng)的溫差評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，b-CPCM電池模組的最大溫差接近5.0 ℃，而t-CPCM電池模組的最大溫差僅為0.8 ℃。更低的溫差意味著電池模組具有更加優(yōu)良的溫度一致性，對(duì)于提升電池模組的壽命至關(guān)重要。

圖8 1～3 C充放電工步下，b-CPCM電池模組與t-CPCM電池模組溫度變化圖Fig.8 At 1～3C charging and discharging rate, b-CPCM battery module and t-CPCM battery module temperature change diagram

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)的塊狀復(fù)合相變材料(b-CPCM)電池模組與新型的管狀復(fù)合相變材料(t-CPCM)電池模組，分別耦合強(qiáng)制對(duì)流作為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并采用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究的方法評(píng)估這兩種模組的散熱性能。仿真結(jié)果表明，相比于b-CPCM仿真模型，更高的散熱面積和更均勻的流場(chǎng)分布讓t-CPCM仿真模型的換熱熱阻更低，有利于提高熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在40 ℃的高溫環(huán)境中，t-CPCM電池模組即使在高倍率充放電下也能有效地控制電池溫度，例如，t-CPCM電池模組的最高溫度僅為46.9 ℃，最大溫差僅為0.8 ℃；而傳統(tǒng)的b-CPCM電池模組的最高溫度則高達(dá)51 ℃，最大溫差也接近5 ℃，在控溫與均溫方面均優(yōu)于傳統(tǒng)相變材料的熱管理效果。本研究所采用的管狀復(fù)合相變材料不僅在動(dòng)力電池領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值，而且在其他儲(chǔ)能領(lǐng)域也有良好的應(yīng)用前景。