液冷-相變材料復(fù)合電池散熱系統(tǒng)的協(xié)同性

方強(qiáng)，趙明

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

受益于新能源汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)得到快速提高，能量密度不斷提升[1]，高效電池散熱系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)成為制約電池運(yùn)行安全性的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[2]。鑒于相變材料（phase change material，PCM）在相變過(guò)程中具有近似恒溫吸熱的特性[3]，且PCM散熱屬于被動(dòng)散熱，不消耗額外能量，使得PCM 散熱成為一種除液冷和風(fēng)冷之外的新型電池散熱方式。然而，PCM 熱導(dǎo)率低的缺點(diǎn)使得系統(tǒng)散熱效果不佳，因此部分學(xué)者通過(guò)填充膨脹石墨構(gòu)建復(fù)合相變材料[4-5]來(lái)提高系統(tǒng)的傳熱能力。除此之外，PCM 模塊以潛熱形式儲(chǔ)存的散熱量主要由PCM 填充量控制，受電池包體積的限制，散熱量必定存在上限。當(dāng)電池處于快充、循環(huán)充放電等非常規(guī)工況下，發(fā)熱量超過(guò)上限時(shí)，PCM將完全熔化，失去散熱能力[6]。部分研究者發(fā)現(xiàn)，通過(guò)復(fù)合液冷、風(fēng)冷等主動(dòng)散熱模塊能夠解決PCM散熱上限的問(wèn)題[7-9]。

大部分學(xué)者提出的復(fù)合液冷、風(fēng)冷的PCM 電池散熱系統(tǒng)，都以強(qiáng)化復(fù)合系統(tǒng)的整體散熱能力為目標(biāo)，本文的研究是從另一角度提出的。對(duì)于耦合了PCM 的多模塊復(fù)合散熱系統(tǒng)，由于不同散熱模塊主被動(dòng)性的相異，模塊間的協(xié)同性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的變量，但目前關(guān)于這方面的研究鮮見(jiàn)發(fā)表。已有的一些研究成果雖然涉及模塊之間的矛盾問(wèn)題，但都沒(méi)有明確提出協(xié)同性的思想，更少見(jiàn)進(jìn)一步的研究。如Ling等[10]曾指出，當(dāng)液冷模塊對(duì)流換熱系數(shù)增加到1000W/(m2·K)時(shí)，系統(tǒng)中PCM 溫度甚至低于其熔點(diǎn)。Wang 等[11]對(duì)其提出的復(fù)合散熱系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷卻流量達(dá)到0.0016kg/s 后，PCM 全程最大液相分?jǐn)?shù)僅為0.08。Zheng 等[12]研究其所設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)PCM 模塊散熱量?jī)H占電池產(chǎn)熱量的10%左右，而液冷模塊則占80%以上。這意味著在這些復(fù)合系統(tǒng)中PCM 潛熱利用率極低，僅充當(dāng)導(dǎo)熱材料將熱量傳遞到液冷板中。而Kong 等[13]則發(fā)現(xiàn)當(dāng)PCM 填充量較多時(shí)，復(fù)合系統(tǒng)中流道數(shù)量的增加對(duì)電池溫度的影響遠(yuǎn)小于PCM 參數(shù)的影響。這表明如果散熱系統(tǒng)中填充足夠多的PCM，液冷模塊對(duì)電池溫度的影響將會(huì)很小。

以上研究表明，在PCM復(fù)合液冷散熱系統(tǒng)中，液冷模塊散熱量過(guò)大會(huì)使得PCM 模塊潛熱利用率較低，過(guò)量的PCM 填充又降低了液冷模塊的利用率，所以需要考慮復(fù)合系統(tǒng)中主被動(dòng)模塊間的協(xié)同。在復(fù)合散熱系統(tǒng)以被動(dòng)散熱模塊為主，主動(dòng)散熱模塊為輔，既充分利用被動(dòng)散熱優(yōu)勢(shì)降低系統(tǒng)能耗，又依靠主動(dòng)模塊保證非常規(guī)工況下的散熱，這便是復(fù)合散熱系統(tǒng)中的協(xié)同性思想。

本文由此出發(fā)，構(gòu)建一種新型的CPCM-液冷復(fù)合散熱系統(tǒng)模型，基于協(xié)同性思想的指導(dǎo)探究系統(tǒng)中CPCM填充量、液冷啟動(dòng)時(shí)間和冷卻液流速的最佳值?？紤]到協(xié)同性問(wèn)題的復(fù)雜性，本文采用分級(jí)研究的方法，在協(xié)同性思想的指導(dǎo)下首先確定最佳填充量，之后依次確定液冷啟動(dòng)時(shí)間和冷卻液流速。

1 模型與方法

1.1 物理模型

以文獻(xiàn)[14]中21700鋰離子電池作為研究對(duì)象，構(gòu)建CPCM-液冷復(fù)合電池散熱系統(tǒng)，如圖1 所示。電池模組由單體電池、液冷板、CPCM及結(jié)構(gòu)膠組成。相鄰電池間距dcell為2mm，液冷板與電池間距為1mm，間隙處填充CPCM，與液冷板平齊，上下各由10mm結(jié)構(gòu)膠密封。

圖1 CPCM-液冷復(fù)合散熱系統(tǒng)模型

傳統(tǒng)冷卻板通常為一整塊大平板，將其嵌入CPCM中，將導(dǎo)致散熱系統(tǒng)質(zhì)量的增加，并且使得CPCM 填充體積減小。本文提出一種鏤空狀液冷板，由4 個(gè)寬2mm、長(zhǎng)4mm 流道構(gòu)成，側(cè)壁厚為0.5mm，上下壁厚為1mm；冷卻液為50%水、50%乙二醇溶液，相鄰流道內(nèi)的冷卻液逆向流動(dòng)；流道間分布多個(gè)寬4mm 的方形柱起到結(jié)構(gòu)支撐和均溫的作用。借鑒了劉業(yè)鳳等[14]、Ling 等[15]對(duì)膨脹石墨-石蠟復(fù)合的CPCM研究結(jié)果，選用9%石墨填充量的CPCM，以提高相變模塊的導(dǎo)熱能力。相關(guān)材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

在對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，基于以下假設(shè)：

①電池充放電過(guò)程中，內(nèi)阻不變，忽略溫度和電量對(duì)其影響；

②忽略電池系統(tǒng)內(nèi)部接觸熱阻；

③電池及CPCM的物性參數(shù)為常數(shù)，不隨溫度和狀態(tài)變化；

④忽略CPCM在熔化過(guò)程中的體積膨脹，不考慮熔化后的自然對(duì)流。

單體電池內(nèi)部傳熱方程見(jiàn)式(1)。

式中，ρb為電池密度；cp,b為電池比熱容；λr、λφ、λz分別為圓柱電池徑向、周向、軸向熱導(dǎo)率；q為電池體積生熱率。

根據(jù)Bernardi 等[16]提出的電池生熱模型，電池生熱率可通過(guò)式(2)計(jì)算。

式中，ρPCM、λPCM、cp,PCM分別表示PCM 的密度、熱導(dǎo)率、比熱容；HPCM為焓值；TPCM和T0分別代表PCM 溫度和環(huán)境溫度；γ為相變焓；β表示液相分?jǐn)?shù)，可由式(5)計(jì)算。

式中，TS、TL為PCM相變溫度。

流體區(qū)涉及流體流動(dòng)，連續(xù)性方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程見(jiàn)式(6)～式(8)。

式中，ρc、cp,c、λc、μ分別為冷卻液密度、比熱容、熱導(dǎo)率、動(dòng)力黏度；τ為時(shí)間；v為冷卻液的速度矢量；T、p分別為冷卻液溫度和靜壓。

仿真邊界條件見(jiàn)式(9)。

式中，λb為電池?zé)釋?dǎo)率；h為電池與環(huán)境間對(duì)流換熱系數(shù)，值為5W/(m2·K)。

仿真初始條件見(jiàn)式(10)。

式中，T∞為環(huán)境溫度。

目前，在CPCM-液冷復(fù)合散熱系統(tǒng)的研究中，缺少對(duì)協(xié)同性的相關(guān)數(shù)學(xué)表述。引入CPCM平均利用率表示CPCM在冷卻過(guò)程中潛熱的參與度，其值為放電過(guò)程中CPCM 液相分?jǐn)?shù)的積分與時(shí)間的比值，用UR表示，可通過(guò)式(11)計(jì)算。

式中，t為放電結(jié)束時(shí)間；Δt為總放電時(shí)長(zhǎng)。

引入系統(tǒng)散熱比，用以表示放電結(jié)束時(shí)CPCM模塊中儲(chǔ)熱量和液冷模塊散熱量之比，用δ表示，通過(guò)式(12)計(jì)算。

式中，QCPCM和Qliquld分別表示放電結(jié)束CPCM模塊蓄熱量和液冷模塊累計(jì)散熱量。

1.3 數(shù)值方法及驗(yàn)證

采用ANSYS Fluent 2021對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解，對(duì)于相變模塊使用基于焓-孔隙率法的ANSYS Fluent熔化凝固模型，僅考慮PCM 內(nèi)部導(dǎo)熱，忽略熔化后的自然對(duì)流。流體區(qū)邊界條件采用速度入口和壓力出口。為確保電池在惡劣條件下的散熱，除單體電池模型驗(yàn)證時(shí)環(huán)境溫度為25℃，后續(xù)計(jì)算中系統(tǒng)初始環(huán)境溫度均為35℃。根據(jù)計(jì)算，本文所有模型中流體雷諾數(shù)均低于2300，流體區(qū)采用層流模型。

為了保證仿真模型的準(zhǔn)確性，在環(huán)境溫度25℃，單體電池1C放電工況下進(jìn)行仿真模擬，與劉業(yè)鳳等[14]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，測(cè)量點(diǎn)實(shí)驗(yàn)溫度和仿真溫度的對(duì)比如圖2所示。根據(jù)對(duì)比圖顯示，在局部區(qū)域仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在部分偏差，主要是由于電池內(nèi)阻通常隨放電時(shí)間發(fā)生變化，而劉業(yè)鳳等[14]測(cè)量時(shí)以不同放電時(shí)間下內(nèi)阻的平均值作為電池等效內(nèi)阻，故存在一定誤差，但最大誤差僅為2.9%，表明本文使用的電池散熱計(jì)算模型依舊是可靠的。

圖2 測(cè)量點(diǎn)實(shí)驗(yàn)和仿真溫度對(duì)比

本文使用Fluent Meshing 劃分多面體、六面體混合網(wǎng)格。由于涉及流體流動(dòng)，故對(duì)流體域網(wǎng)格要求較高。為減少計(jì)算量，根據(jù)模型的幾何特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，并對(duì)模型進(jìn)行對(duì)稱處理。為了兼顧計(jì)算精度及計(jì)算效率，進(jìn)一步對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證。在環(huán)境溫度35℃，電池3C放電工況下對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，冷卻液流速為0.1m/s。網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果如圖3 所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到440 萬(wàn)時(shí)，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)電池最高溫度及溫差影響較小，為了考慮計(jì)算經(jīng)濟(jì)性，下文均采用440萬(wàn)網(wǎng)格模型。網(wǎng)格模型如圖4 所示，網(wǎng)格質(zhì)量為0.8，此網(wǎng)格模型最大單元尺寸2mm，流體區(qū)域邊界層為5層，最小單元尺寸0.1mm。同時(shí)分別采用時(shí)間步長(zhǎng)為0.25s、0.5s、1s和2s的模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果差異較小，為便于計(jì)算和觀察，選用1s 作為時(shí)間步長(zhǎng)。

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

圖4 網(wǎng)格細(xì)節(jié)圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同CPCM填充量影響

CPCM 的填充量影響著相變模塊的散熱能力，填充量越大，CPCM模塊散熱能力越強(qiáng)，但系統(tǒng)的體積和質(zhì)量會(huì)相應(yīng)增加。故本節(jié)考究在CPCM-液冷復(fù)合散熱系統(tǒng)中CPCM 填充量對(duì)散熱性能的影響，基于協(xié)同性思想尋找最佳填充量。根據(jù)復(fù)合散熱系統(tǒng)模型圖發(fā)現(xiàn)，CPCM填充量主要由相鄰電池間距及電池與液冷板間距控制，本節(jié)通過(guò)調(diào)整電池間距dcell改變CPCM填充量。

圖5和圖6分別為電池間距dcell不同取值時(shí)，電池最高溫度及CPCM 液相分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化情況。為探究CPCM填充量對(duì)被動(dòng)散熱的影響，故不啟用液冷模塊。從兩圖中看出，當(dāng)dcell為1mm時(shí)，僅依靠CPCM 冷卻模塊只能滿足1C放電倍率下的散熱要求。在2C放電末期及3C放電中期，CPCM 液相分?jǐn)?shù)達(dá)到1，被動(dòng)散熱模塊失效，導(dǎo)致電池溫度驟升。當(dāng)dcell增大到2mm 以上時(shí)，CPCM 冷卻模塊即可以滿足電池在1C、2C下的散熱要求。而3C倍率放電下，電池放電結(jié)束時(shí)最高溫度隨dcell增大而減小，但即使dcell為4mm 時(shí)，CPCM 模塊也不能滿足散熱要求，電池最高溫度達(dá)52.5℃。CPCM 填充量的增加僅僅推遲了相變冷卻模塊失效時(shí)間，且使得散熱系統(tǒng)體積和質(zhì)量增大，導(dǎo)致電池包能量密度下降。在復(fù)合散熱系統(tǒng)中，僅僅為了滿足少部分非常規(guī)工況的散熱需求而增加數(shù)倍的CPCM填充量也是不經(jīng)濟(jì)的。并且CPCM模塊失效時(shí)間的推遲也意味著液冷模塊開(kāi)啟時(shí)間的延后，使得液冷模塊使用率降低，浪費(fèi)了液冷模塊的散熱能力，導(dǎo)致CPCM模塊和液冷模塊間的不協(xié)同。

圖5 不同dcell時(shí)電池最高溫度隨放電時(shí)間的變化

圖6 不同dcell時(shí)液相分?jǐn)?shù)隨放電時(shí)間的變化

在復(fù)合散熱系統(tǒng)中，合理的協(xié)同策略應(yīng)是CPCM模塊僅需滿足汽車(chē)常規(guī)工況下的散熱要求，在非常規(guī)工況下啟動(dòng)液冷模塊，對(duì)電池進(jìn)行主動(dòng)散熱。如此，既能充分發(fā)揮CPCM模塊被動(dòng)散熱的優(yōu)勢(shì)，到達(dá)降低散熱系統(tǒng)能耗的目的，又能保證電池在非常規(guī)工況下的散熱，保證電池安全工作。基于該協(xié)同策略，根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)電池間距dcell為2mm 時(shí)CPCM 的填充量即可以滿足電池在1C、2C工況下的散熱要求，當(dāng)電池3C放電時(shí)啟動(dòng)液冷模塊。繼續(xù)增大填充量，勢(shì)必會(huì)降低液冷模塊使用率，造成液冷散熱量的浪費(fèi)。考慮到主被動(dòng)模塊協(xié)同性以及經(jīng)濟(jì)性、輕量化設(shè)計(jì)原則，下文選用2mm 電池間距的CPCM填充量模型作為研究對(duì)象。

2.2 不同液冷啟動(dòng)時(shí)間影響

從上節(jié)知電池間隙為2mm的CPCM填充量即可滿足電池低倍率運(yùn)行的散熱要求，但高倍率情況下需要液冷模塊的介入才能有效控制電池溫度。顯然，液冷模塊啟動(dòng)時(shí)間的不同直接影響電池溫度及主被動(dòng)模塊的利用率。本節(jié)討論在3C放電工況下不同時(shí)刻開(kāi)啟液冷模塊對(duì)電池溫度和CPCM模塊利用率的影響。

在液冷系統(tǒng)中，一般通過(guò)監(jiān)測(cè)電池表面溫度來(lái)調(diào)整控制策略。由于CPCM 模塊內(nèi)部傳熱熱阻較大，各部分CPCM 熔化情況互不相同。電池附近CPCM 完全熔化時(shí)，距離電池較遠(yuǎn)的CPCM 可能還未達(dá)到熔點(diǎn)，以電池表面溫度作為液冷模塊開(kāi)啟的判斷準(zhǔn)則時(shí)，很難判斷CPCM模塊潛熱余量。因此本文使用CPCM的液相分?jǐn)?shù)作為液冷模塊啟動(dòng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，β為臨界液相分?jǐn)?shù)，當(dāng)CPCM 模塊液相分?jǐn)?shù)達(dá)到β時(shí)開(kāi)啟液冷模塊。

圖7 和圖8 為β值分別取0（初始時(shí)間）、0.6、0.7、0.8、0.9、1 時(shí)電池3C放電下的最高溫度和CPCM液相分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化情況，冷卻液流速為0.1m/s，液冷模塊對(duì)應(yīng)在0、603s、665s、728s、794s、891s開(kāi)啟。與圖5中未啟動(dòng)液冷模塊的模型相比，液冷模塊介入后，電池的最高溫度明顯下降，保持在50℃以下。當(dāng)β為0 時(shí)，即全程啟動(dòng)液冷，電池最大溫度隨放電時(shí)間升高，并逐漸趨于平緩，直到電池放熱與液冷模塊散熱達(dá)到平衡。β取0.6、0.7、0.8、0.9、1時(shí)，即延遲冷卻，電池在放電初期，溫度未達(dá)到CPCM 的相變溫度，此時(shí)CPCM僅僅依靠自身熱容蓄熱，散熱效果較小，電池最高溫度呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)電池外表面溫度達(dá)到CPCM 相變溫度后，CPCM 開(kāi)始發(fā)生相變，電池溫升速率下降；隨著CPCM不斷熔化，液相分?jǐn)?shù)不斷增大達(dá)到對(duì)應(yīng)的β值時(shí)，液冷開(kāi)啟，電池溫度開(kāi)始下降。

圖7 β取值不同時(shí)電池溫度隨時(shí)間的變化

圖8 β取值不同時(shí)CPCM液相分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化

觀察圖7 中β取值不同時(shí)電池的最終溫度，隨著β不斷增大，液冷模塊介入的時(shí)間推遲，電池模組在放電結(jié)束時(shí)的最高溫度也逐漸增大。β值為0、0.6、0.7、0.8、0.9、1 時(shí)，電池最高溫度分別為44.0℃、45.7℃、46.0℃、46.3℃、46.7℃、47.3℃，均能夠滿足電池散熱要求。雖然β為0時(shí)電池最高溫度較低，但結(jié)合圖8，在整個(gè)放電過(guò)程中CPCM液相分?jǐn)?shù)均低于0.1，表明CPCM 模塊基本沒(méi)有發(fā)揮相變吸熱的作用，僅充當(dāng)導(dǎo)熱介質(zhì)將電池產(chǎn)生的熱量傳輸給液冷板。圖9 為不同β取值時(shí)CPCM 模塊平均利用率和系統(tǒng)散熱比，隨著β的增大，CPCM模塊平均利用率類線性增長(zhǎng)，散熱比類指數(shù)增長(zhǎng)。所以，在滿足電池散熱要求的前提下，β值需盡可能大，才能充分利用CPCM的潛熱，發(fā)揮被動(dòng)散熱的作用，實(shí)現(xiàn)協(xié)同性思想中以CPCM模塊散熱為主，液冷模塊為輔的目標(biāo)。

圖9 β取值不同時(shí)CPCM平均利用率及系統(tǒng)散熱比

圖7中方形標(biāo)簽處為各β值對(duì)應(yīng)位置，在CPCM模塊液相分?jǐn)?shù)達(dá)到β值開(kāi)啟液冷模塊后，電池最高溫度沒(méi)有立刻下降。表明復(fù)合系統(tǒng)中存在著較大的熱慣性，導(dǎo)致冷卻遲滯現(xiàn)象。熱慣性主要與材料的比熱容、相變潛熱及熱阻相關(guān)。在復(fù)合散熱系統(tǒng)中，一方面由于電池和液冷板間填充有低熱導(dǎo)率和高潛熱值的CPCM，另一方面由于圓柱電池自身徑向熱導(dǎo)率低，這二者導(dǎo)致復(fù)合系統(tǒng)中熱慣性較大，冷卻延遲現(xiàn)象較明顯。圖10為液冷模塊開(kāi)啟時(shí)間、降溫時(shí)間和延遲時(shí)間，當(dāng)β值為0.6 時(shí)，冷卻延遲時(shí)間高達(dá)87s。隨著β值增大，冷卻延遲時(shí)間逐漸縮小，當(dāng)β值為1 時(shí)，延遲時(shí)間僅為40s。主要由于隨β值的增大，液冷模塊開(kāi)啟時(shí)電池的溫度也在增大，傳熱溫差不斷增大，換熱能力增強(qiáng)，使得熱慣性的影響減小。

圖10 β取值不同時(shí)液冷模塊開(kāi)啟、降溫、延遲時(shí)間

雖然β值為1時(shí)，冷卻延遲時(shí)間最短，且CPCM平均利用率最高及散熱比最高。但從圖7發(fā)現(xiàn)，只有β值為1時(shí)，在液冷模塊啟動(dòng)前后出現(xiàn)溫度驟升的情況，且在液冷啟動(dòng)前，電池溫升曲線已經(jīng)有明顯變陡。這是由于相變材料往往存在難熔區(qū)，此時(shí)大部分CPCM 已經(jīng)完全熔化，CPCM 模塊基本失去散熱功能，僅由于小部分CPCM難熔，導(dǎo)致液相分?jǐn)?shù)沒(méi)有達(dá)到1。與之不同，當(dāng)β值小于1 時(shí)，雖然系統(tǒng)中也存在熱慣性，但此時(shí)CPCM模塊尚未完全失效，可以繼續(xù)吸收電池?zé)崃?，所以并未出現(xiàn)溫度驟升情況。

綜上，排除β值為0和1，β為其余值時(shí)電池最終溫度相差較小。根據(jù)協(xié)同性思想，在保證滿足電池散熱要求的前提下，β值為0.9 時(shí)，可以提高CPCM平均利用率及散熱比，充分發(fā)揮被動(dòng)散熱的優(yōu)勢(shì)，減少系統(tǒng)能耗。

2.3 不同冷卻液流速的影響

冷卻液流速影響著液冷模塊的換熱能力，流速越大必定需要更多的能量驅(qū)動(dòng)，選擇合適的流速能夠減少散熱系統(tǒng)的能耗。圖11 和圖12 為不同流速下，電池最高溫度和CPCM液相分?jǐn)?shù)隨放電時(shí)間的變化情況。結(jié)合兩圖來(lái)看，當(dāng)液冷模塊啟動(dòng)時(shí)，若流速低于0.03m/s，則不能夠抑制電池最高溫度的攀升，CPCM液相分?jǐn)?shù)也沒(méi)有下降；流速等于0.03m/s時(shí)，電池最高溫度維持平衡，CPCM液相分?jǐn)?shù)緩慢下降；當(dāng)流速大于0.03m/s 時(shí)，最高溫度和液相分?jǐn)?shù)均呈下降趨勢(shì)。尤其當(dāng)流速大于0.2m/s時(shí)，放電結(jié)束時(shí)液相分?jǐn)?shù)已降至0.2 左右，表明液冷模塊不僅完成了電池降溫工作，同時(shí)也回收了CPCM的潛熱，使得CPCM模塊重新獲得被動(dòng)散熱能力。

圖11 不同流速下電池最高溫度隨放電時(shí)間的變化情況

圖12 不同流速下CPCM液相分?jǐn)?shù)隨放電時(shí)間的變化情況

圖13為放電結(jié)束時(shí)電池最高溫度和CPCM液相分?jǐn)?shù)隨流速的變化情況。從圖中看出，電池最高溫度和CPCM液相分?jǐn)?shù)隨流速的增加而降低，但降低幅度逐漸下降，出現(xiàn)邊際效應(yīng)。顯然，隨著冷卻液流速增加，液冷板換熱能力增強(qiáng)，但液冷板換熱能力存在上限，當(dāng)流速繼續(xù)增加時(shí)，冷板換熱能力增強(qiáng)的幅度減小，電池最高溫度和CPCM液相分?jǐn)?shù)也就呈現(xiàn)邊際效應(yīng)。流速由0.2m/s 增長(zhǎng)到0.5m/s 時(shí)，電池最高溫度僅僅下降了1℃，而流速?gòu)?.03m/s增長(zhǎng)到0.2m/s 最高溫度下降了近2℃。所以，當(dāng)冷卻液流速增長(zhǎng)到一定數(shù)值后，繼續(xù)增加流速是不經(jīng)濟(jì)的，不利于減少冷卻系統(tǒng)的能耗。

圖13 電池放電結(jié)束時(shí)最高溫度和CPCM液相分?jǐn)?shù)隨流速的變化

綜上，考慮到冷卻液由水泵驅(qū)動(dòng)，較高的流速往往需要消耗更多的能量。為了達(dá)到主被動(dòng)復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同工作的目標(biāo)：在滿足電池散熱的要求，盡可能降低系統(tǒng)能耗。冷卻液流速需要根據(jù)汽車(chē)具體需求考慮，在汽車(chē)行駛過(guò)程中，泵所需的能量來(lái)源于電池自身電量，流速為0.03m/s 便能夠抑制電池溫升，且較低的流速能夠減少散熱系統(tǒng)能耗，使得汽車(chē)獲得更長(zhǎng)久的續(xù)航。若想要回收CPCM潛熱，則需要將增大流速至0.2m/s，增大能耗對(duì)電池進(jìn)行降溫并回收CPCM 潛熱，使得CPCM 散熱模塊恢復(fù)被動(dòng)散熱能力，以滿足下一次電池充放電時(shí)的散熱需求。

3 結(jié)論

構(gòu)建了一種CPCM-液冷復(fù)合的電池散熱系統(tǒng)，提出了復(fù)合系統(tǒng)中不同散熱模塊間的協(xié)同性思想：以被動(dòng)散熱模塊為主，主動(dòng)散熱模塊為輔，既充分利用被動(dòng)散熱優(yōu)勢(shì)降低系統(tǒng)能耗，又依靠主動(dòng)模塊保證非常規(guī)工況下的散熱。并在此思想的指導(dǎo)下，獲得了CPCM填充量、液冷啟動(dòng)時(shí)間和冷卻液流速的最佳值，得出以下結(jié)論。

（1）本文的復(fù)合系統(tǒng)中電池間距dcell大于2mm時(shí)，CPCM 的填充量即可以滿足電池在低倍率（1C、2C）下的散熱要求，無(wú)需啟動(dòng)液冷模塊?？紤]到主被動(dòng)模塊協(xié)同性以及經(jīng)濟(jì)性、輕量化設(shè)計(jì)原則，2mm電池間距最佳。

（2）在考慮液冷模塊啟動(dòng)時(shí)間時(shí)，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)中存在的熱慣性以及CPCM 利用率和散熱比。選擇在CPCM 液相分?jǐn)?shù)為0.9 時(shí)開(kāi)啟液冷模塊，可以顯著提高CPCM模塊利用率。

（3）冷卻液流速大于0.03m/s 可以抑制電池溫升，流速達(dá)到0.2m/s時(shí)可有效回收CPCM潛熱。根據(jù)汽車(chē)不同需求對(duì)應(yīng)啟動(dòng)不同的流速，可以有效降低系統(tǒng)能耗。