相變材料在動(dòng)力電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

收稿日期：2024-04-20

作者簡(jiǎn)介

張凱，男，主要從事汽車空調(diào)方面的工作。

【摘 要】動(dòng)力電池是新能源汽車的核心部件之一，其可靠性、安全性等性能影響著新能源汽車的發(fā)展，電池?zé)峁芾碓陔妱?dòng)汽車領(lǐng)域中的重要性不言而喻。文章在傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中將風(fēng)冷和液冷轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘧儾牧侠鋮s，利用相變材料潛熱特性，并且單獨(dú)對(duì)每個(gè)單體電池形成熱管理系統(tǒng)，有利于控制電池包中單體電池間的溫度一致性，也能解決單體電池在組裝成電池包后實(shí)際工作溫度與其最佳溫度存在差異性問題，同時(shí)可根據(jù)對(duì)電池包的需要，將單體電池拼裝成指定需要容量的電池包，提高電池包的工作安全性。

【關(guān)鍵詞】相變材料；動(dòng)力電池；溫度場(chǎng)；電池?zé)峁芾?/p>

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）07-0021-03

Application of Phase Change Materials in Power Battery Cooling System

ZHANG Kai，YUE Zhenxin，YANG Yun，KE Xun

（SAIC-GM Co.，Ltd.，Wuhan Branch，Wuhan 430200，China）

【Abstract】Power batteries are one of the core components of new energy vehicles. The performance of reliability and safety of their work affects the development of new energy vehicles. The importance of battery thermal management in the field of electric vehicles is self -evide884eFkOxw2ImWsRCGLyceQ==nt. This article transforms air -cooled cold and liquid cold in the traditional battery thermal management system to cool the phase-changing material，uses the submarine thermal thermal characteristics of phase -changing materials，and forms a heat management system for each single battery，which is conducive to controlling the single body in the battery pack. Temperature consistency between batteries. After solving the actual working temperature of the single battery after assembling the battery pack，there is a difference between the work temperature and its best temperature. At the same time，according to the needs of the battery pack，the single battery can be assembled into a specified battery pack that requires capacity to increase the work of the battery pack safety.

【Key words】phase change material；power battery；temperature field；battery thermal management

隨著純電動(dòng)汽車市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，車用動(dòng)力電池的熱管理問題也日益凸顯，動(dòng)力電池工作的最高溫度和最低溫度在0～40℃較為適宜，在20～30℃范圍是其最佳的工作溫度，且電池模組之間的溫度差不超過5℃，這樣才能夠保證動(dòng)力電池高效的放電性能，同時(shí)具備較高的安全性［1］。本文首先介紹相變材料的特性，然后建立一種帶有相變材料的電池模型，利用仿真軟件分析對(duì)比相變材料冷卻和自然風(fēng)冷條件下動(dòng)力電池的散熱情況，從而建立一種有效的含有相變材料的電池散熱模型。

1 相變材料電池模型的建立

利用基體材料封裝相變材料法，將固液態(tài)的PCM利用封裝技術(shù)封裝成球形小顆粒，其外部是一層性能穩(wěn)定的殼材，制得一種相變材料微膠囊[2]。該相變材料由六水氯化鈣添加3.0％的氫氧化鋇制成的復(fù)合物封裝在微膠囊中，再將微膠囊固定封裝填入到單體電池安裝模塊中，此相變材料的導(dǎo)熱率為0.365W/（m·K），密度為0.856g/cm3，固液相變溫度為30℃。含有相變材料的18650單體電池外觀如圖1所示。

帶有PCM的動(dòng)力電池模組包括PCM外殼和10個(gè)動(dòng)力電池單體。此動(dòng)力電池模組由10個(gè)單體電池串聯(lián)組成，之間通過導(dǎo)線相連接。基于CFD中的壓力算法及熔化/凝固模型，利用仿真軟件對(duì)比自然風(fēng)冷和PCM對(duì)動(dòng)力電池的散熱效果[3]。對(duì)PCM作出如下假設(shè)：①PCM在吸放熱過程中密度不改變；②PCM在相變過程中其比熱容和導(dǎo)熱率保持恒定；③PCM在各項(xiàng)參數(shù)保持均勻統(tǒng)一性[4]。PCM電池模組剖面如圖2所示。

2 電池特性參數(shù)與模擬條件

所用動(dòng)力電池單體為某款18650電池，容量為1.8Ah，內(nèi)阻為65mΩ，質(zhì)量為45g，比熱容為870kJ/（kg·K），電池模塊由10塊電池單體串聯(lián)而成，單體間的間隔為2個(gè)電池單體安裝模塊安裝后的距離，此處設(shè)定為10mm。

假設(shè)此動(dòng)力電池模組在環(huán)境溫度25℃下以3C放電倍率放電，那么放電時(shí)間最多為1200s，軟件模擬仿真放電結(jié)束電池模塊溫度場(chǎng)分布，同時(shí)記錄在此放電過程中隨著時(shí)間電池模塊最高溫度的變化[5]。

3 仿真模擬結(jié)果分析

圖3為電池模組以3C放電倍率在環(huán)境溫度為25℃自然風(fēng)冷條件下的溫度場(chǎng)，電池模組最高溫度為66.9853℃，最低溫度為27.7178℃。根據(jù)動(dòng)力電池對(duì)溫度的最適宜范圍要求，此自然風(fēng)冷狀態(tài)下電池模組的最高溫度已超出電池最適宜工作溫度18～45℃范圍，最高溫度與最低溫度之差39.2675℃亦遠(yuǎn)超出電池溫度一致性5℃溫度范圍，同時(shí)由于電池單體之間亦存在熱交換，使得電池模組中單體電池溫度相互影響。自然風(fēng)冷的散熱效率低下，在電池大倍率放電時(shí)很難將電池的熱量散發(fā)帶走。

圖4為電池模組以3C放電倍率在環(huán)境溫度為25℃包含PCM的單體電池外殼模塊下的溫度場(chǎng)，電池模組最高溫度為30.2281℃，最低溫度為26.2031℃，最大溫差為4.0250℃，整個(gè)電池模組的最高溫度和溫度一致性均滿足動(dòng)力電池溫度的最適宜工作范圍。此外，在PCM的吸熱作用下，電池單體間的熱量基本上不發(fā)生熱量的傳遞，能更好保證電池模組的溫度一致性要求。

此電池外殼安裝模塊中包含PCM，此種PCM的相變溫度范圍為30℃，PCM在與電池接觸的局部溫度達(dá)到30℃時(shí)，已到達(dá)相變材料的熔點(diǎn)，此時(shí)相變材料開始發(fā)生相變吸收電池的熱量，使得電池的最高溫度保持在30℃左右。兩種散熱方式下電池組最高溫度如圖5所示，即有PCM電池安裝模塊下和無PCM自然風(fēng)冷下電池模組中最高溫度隨放電時(shí)間變化的對(duì)比。

從圖5的電池最高溫度上升趨勢(shì)圖對(duì)比可以看出，電池由于持續(xù)放電產(chǎn)生熱量積累溫度逐漸升高。自然風(fēng)冷條件下，在持續(xù)放電進(jìn)行到600s時(shí)，電池最高溫度已達(dá)45℃以上，超出電池的工作安全溫度。而用裝有PCM的電池安裝模塊的電池模組的最高溫度在600s以后就趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在這之前由于PCM處于固態(tài)狀態(tài)只能依靠顯熱來對(duì)電池進(jìn)行冷卻，冷卻效率不夠高，但是比自然風(fēng)冷的效果稍好。當(dāng)電池局部最高溫度達(dá)到30℃時(shí)，與之相接觸的PCM開始發(fā)生固液相變，以潛熱的形式將電池的溫度吸收，達(dá)到快速冷卻電池的目的。

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池開始放電后，由于電池溫度不斷上升，與電池相接觸的PCM在吸收熱量的同時(shí)自身的物理狀態(tài)也發(fā)生著改變。在當(dāng)電池模組以3C放電倍率持續(xù)放電至600s之前，電池的溫度低于30℃，此時(shí)PCM處于固態(tài)，依靠顯熱來給予電池降溫，這一過程中PCM發(fā)生著固-固相變，只是PCM內(nèi)部的結(jié)構(gòu)改變，潛熱小。當(dāng)持續(xù)放電至600s以后，電池的局部溫度已經(jīng)達(dá)到30℃，與之相接觸的那一部分PCM開始發(fā)生固液相變，此時(shí)PCM的溫度、體積變化小，潛熱大，冷卻效果好。由于PCM發(fā)生固-氣、液-氣相變時(shí)體積變化大，空間需求高，故在實(shí)際應(yīng)用中不切合實(shí)際。

4 相變材料在動(dòng)力電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于上述情況，可以將含有PCM的微膠囊應(yīng)用于動(dòng)力電池的熱管理中。此微膠囊將相變材料包裹在其內(nèi)部，用固態(tài)PCM封裝技術(shù)分散成球形小顆粒，再在表面封裝一層性能穩(wěn)定的殼材，即得到相變材料微膠囊，每個(gè)微膠囊中包含的相變材料為1g。此種相變材料的相關(guān)物理性質(zhì)為：導(dǎo)熱率為0.365W/（m·K），密度為0.856g/cm3，固液相變溫度為30℃，其吸熱相變潛熱為128.5kJ/kg，放熱相變潛熱為125.2kJ/kg[6]。上文中由于每個(gè)單體18650電池都安裝在包含有PCM的外殼模塊中，所以每個(gè)單體18650電池之間發(fā)生的熱擴(kuò)散可忽略不計(jì)。此款18650電池容量為1.8Ah，那么以3C放電倍率放電時(shí)，放電電流為5.4A，放電時(shí)間為1200s。當(dāng)電池以大電流放電時(shí)，電池中產(chǎn)生的反應(yīng)熱較少，可忽略不計(jì)，主要熱量來源于電池的內(nèi)阻熱。內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量為Q1=I2Rt=5.42×0.065×1200J=0.42kJ。電池工作溫度保持在30℃。假設(shè)此種單體18650電池在25℃的環(huán)境溫度中工作，那么電池吸收的熱量Q2=CmΔt=0.87×0.045×5kJ=0.196kJ，那么還剩Q3=Q1-Q2=0.42-0.196=0.224kJ的熱量需要被相變材料吸收，那么所需相變材料的質(zhì)量為1.74g。假設(shè)此種單體18650電池在-20℃的環(huán)境溫度中工作，同理至少需要相應(yīng)的相變材料的質(zhì)量為12.28g；在80℃的環(huán)境溫度中工作，同理至少需要相應(yīng)的相變材料的質(zhì)量為18.5g。綜合計(jì)算，當(dāng)每個(gè)單體電池外殼模塊中含有18.5g的相變材料，即19個(gè)相變材料微膠囊時(shí)，可使此種單體18650電池在環(huán)境溫度為-20～80℃的范圍內(nèi)保持30℃的工作溫度。

利用上述的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法，將相變材料應(yīng)用于汽車動(dòng)力電池的熱管理中，可以根據(jù)電池的選型和電芯的數(shù)量來制備相應(yīng)的含有相變材料的模塊，這樣能夠滿足電池的熱管理需求。

5 總結(jié)

利用仿真軟件，進(jìn)行相變材料和自然風(fēng)冷條件下的電池溫度場(chǎng)仿真，發(fā)現(xiàn)相變材料在動(dòng)力電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用能夠提高電池?zé)峁芾淼男?。根?jù)相變的物性特征，為保持電池在合理的工作溫度區(qū)間，計(jì)算動(dòng)力電池在不同的溫度環(huán)境中需要的相變材料質(zhì)量，提高電池?zé)峁芾淼氖褂眯省?/p>

參考文獻(xiàn)：

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（編輯 凌 波）