一種使用相變材料的新型電動汽車電池熱管理系統

靳鵬超，王世學，2

（1天津大學機械工程學院，天津 300072；2中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

研究開發

一種使用相變材料的新型電動汽車電池熱管理系統

靳鵬超1，王世學1，2

（1天津大學機械工程學院，天津 300072；2中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

針對一種使用相變材料（PCM）的新型電動汽車電池熱管理系統，以計算流體動力學（CFD）為基礎，研究該系統在正常工況和濫用工況下的冷卻性能。以模塊的最高溫度和最大溫差作為監控參數，通過對電池在高溫環境及大電流放電等工況的模擬，發現與相同結構的空氣冷卻條件下的電池組相比，填充PCM能夠保證電池組的最大溫度不超過安全溫度50℃，最大溫差在5℃以內，可以明顯改善電池組的溫度場分布，使電池的容量得到充分的利用。此外，作為一個被動的冷卻方式，PCM熱管理系統不需要提供額外的附加功率，能夠很好的滿足電池的工作要求。

電動汽車； 鋰離子電池；相變；材料；熱管理； 濫用條件

動力電池作為電動汽車中主要的儲能元件，直接影響著電動汽車的整車性能。目前市場上普遍采用鎳氫電池作為混合動力汽車的動力源，近年來鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、比能量大、循環性能好、自放電小及無記憶效應等原因[1]，被人們寄予了厚望。然而長久以來，一直制約鋰離子電池大量投入市場的主要因素是電池的安全性和生產成本等性能指標，這些因素都可以歸結于電池組的熱管理[2]。

電池組熱管理系統的研究與應用對于新能源汽車是有很大意義的，原因在于[3]：①電池組的安全性能及循環壽命對溫度有很大的依賴性；②電池組溫度場的均勻一致分布將會使其容量和放電效率等性能得到充分的發揮。

電池熱管理按照傳熱介質主要分為4種：空氣冷卻、液體冷卻、相變材料（PCM）冷卻和以上幾種方式的相互配合使用[4]。其中，空氣冷卻由于成本低、安裝和維護簡單等原因，是當前應用最為廣泛的冷卻方式。PCM冷卻作為一種新型的冷卻方式，主要是靠PCM的融化（凝固）潛熱吸收電池放出的熱量而對電池形成冷卻，同時將電池放出的熱量以潛熱的形式儲存起來，當電池在低溫下工作時釋放出來以改善電池的低溫性能[5]。PCM熱管理系統與其他熱管理系統不同，不需要在電池模塊連接處加入額外的冷卻元件，也不需要模塊間的冷卻通道或封裝外部流體循環的冷卻系統，顯示出了非常廣闊的發展前景。

饒中浩等[6]研究了PCM的熱導率和用量對電池模塊的最高溫度及局部溫差的影響；Sabbah等[7]從電池的平均體積溫度和最大溫差的角度闡述了PCM冷卻的有效性。本工作將電池模塊的最高溫度和最大溫差作為監控參數，針對高溫和大電流放電等濫用工況，對PCM冷卻和空氣冷卻進行比較，討論PCM的有效性。

1 鋰離子電池的產熱機理

鋰離子電池是一種可以反復充放電的電池，主要依靠Li+在正極和負極之間的移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間來回嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解液嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反[8]，工作過程如圖1所示。

電池在充放電的過程中，會產生大量的熱量，這些熱量如果不能得到及時很好的散出，會對電池的容量、能量、功率、壽命等性能指標產生極大的負面影響，嚴重時甚至會產生熱失控[2]。

鋰離子電池的產熱量主要由可逆反應熱（充電時為負值，放電時為正值），歐姆內阻引起的焦耳熱、極化熱和自放電等現象引起的副反應熱等4部分組成，其中，副反應產生的熱量相對于其他產熱量是可以忽略的。對于LiCoO2電池，放電過程的產熱量計算公式如式（1）[9]：

圖1 鋰離子電池工作原理圖

式中，q是電池的產熱量，kJ/h；Q1是可逆反應熱，其值為9.39kJ/mol。Id是放電電流，A；Rtd是電池阻抗，Ω。

2 計算模型的建立

2.1 電池模塊的設計

選取某車用60Ah鈷酸鋰電池作為研究對象，電池單體的尺寸為（70×130×180）mm3，電池模塊由8塊電池串聯組成，間隔5mm，在電池單體之間填充PCM，PCM采用石蠟/膨脹石墨的復合材料，電池和PCM基本的熱物性參數見表1。為簡化模擬，對PCM作出幾項假設[10]：①由于固液相變引起的密度變化忽略不計；②相變材料的熔點是一個確定的值而不是一個范圍；③PCM在熔化過程中的比熱容和熱導率是不變的；④PCM是均勻一致且各向同性的。電池和PCM的基本熱物性參數如表1所示[11]，建立的模型如圖2所示。

2.2 CFD計算的控制方程

電池在放電過程中產生熱量，經熱傳導傳遞到電池表面，對于PCM熱管理系統，利用PCM的熔化潛熱吸收電池的熱量；不填充PCM的系統利用空氣與電池表面的自然對流進行冷卻。計算過程涉及固體的熱傳導、空氣與電池的自然對流和PCM的熔化過程，需要用到如下控制方程[12]。

表1 電池和PCM的熱物性參數

圖2 鋰離子電池組模型

(1) 電池含有內熱源，其能量方程為式（2）。

式中，下角標c代表電池；ρ是密度；cp是比熱容；T是溫度；t是時間；λ是熱導率。

（2）控制方程

①不填充PCM

式中，n為壁面法線坐標；h是對流傳熱系數，取3.8W/(m2·K)；Tm是環境溫度。

②填充PCM

式中，H是PCM的總焓；Href是顯熱焓；Tref是初始時刻的溫度；γ是PCM的潛熱；β是PCM中的液相百分比，當PCM全為固相時，β=0；當PCM全部熔化時，β=1；VPCM是PCM的填充體積。

2.3 監控目標

電池組要正常的工作，需要保證兩項溫度指標[7，10]：①電池單體的最高溫度不超過安全溫度50℃；②電池組溫度場的一致性，即電池組單體之間的溫差不超過5℃。為此，對電池組的瞬時最高溫度Tmax和最大溫差ΔTmax進行監控，其中ΔTmax的定義如[7]式（9）。

式中，Tmax、Tmin分別為電池組溫度場的瞬時最高和最低溫度。

3 計算結果與分析

采用Fluent基于壓力的算法和熔化/凝固的非穩態模型，主要從以下兩個角度來研究PCM熱管理系統的冷卻性能：25℃的環境溫度下以3C（180A）放電；濫用條件下即40℃的高溫環境下以6C的大電流放電。

3.1Tm=25℃下3C放電

圖3是在有/無PCM填充的電池組在25℃的環境溫度下以3C放電的溫度場分布情況對比。

從圖3(a)中可以看到，由于持續的產熱，電池組的最大溫度呈現上升的趨勢，其中，依靠自然對流來散熱的電池組溫度在1000s左右超出了安全溫度50℃，電池容量的利用率是83.3%；而PCM填充的電池組瞬時最大溫度Tmax在800s之后趨向于穩定，在此之前，PCM處于固相，依靠顯熱發揮作用，不能對電池組形成有效的冷卻，但是溫度上升的速度比自然對流冷卻的電池組低，說明PCM的導熱冷卻效果比自然對流的冷卻效果好；隨著電池持續產熱，在800s以后與電池組接觸的部分PCM達到了熔點溫度42℃，開始發生固液相變，吸收了電池組的熱量并以潛熱的形式儲存起來，阻止溫度的進一步升高，將電池快速冷卻下來，維持在45℃以下，電池的容量得到了充分的利用。

圖3Tm=25℃，3C放電的電池組溫度場分布

圖3(b)顯示兩種工況下電池組的瞬時最大溫差ΔTmax不超過2℃，溫差的變化對電池的容量并沒有造成負面影響。較為明顯的是，對于PCM冷卻的電池組，ΔTmax在800s之后出現了較為明顯的下降，這是因為與電池接觸的PCM達到熔點的時間有先有后，在熱量集中的區域，PCM先達到熔點而發生相變，與其接觸的電池組區域的溫度下降，而沒有PCM熔化的區域的溫度保持上升趨勢，所以造成瞬時最大溫差現出現了局部的下降，但是隨著PCM熔化的越來越多，電池組溫度場的一致性逐漸得到改善，在900s以后溫差趨向于穩定，這個結果與文獻[7]得到的結果相吻合。

3.2 濫用條件下PCM的有效性

電池組在40℃的高環境溫度下以6C的大電流放電，兩種熱管理方式的溫度場的分布如圖4所示。

圖4(a)是電池組在濫用條件下的Tmax隨時間變化的曲線，可以知道，在高溫40℃下以大電流6C，自然對流冷卻的電池組瞬時最大溫度Tmax很快就超過了50℃，并且顯示很大的上升趨勢，存在嚴重的安全隱患，電池容量的利用率為16.7%，電量得不到充分的使用；對于同樣工況同樣結構的PCM熱管理系統，雖然由于高溫和大電流的影響，PCM的熔化時間點與正常工況相比有不同程度的提前，但是由于PCM熔化潛熱的存在，電池組的溫度始終維持在50℃以下，表現出非常好的冷卻性能。

圖4(b)是電池組瞬時最大溫差ΔTmax隨時間的變化曲線，可知無論有無PCM，電池組溫度場的瞬時最大溫差都維持在5℃以內，但是產生這兩種情況的原因是不一樣的：①自然對流條件下的電池組，由于高溫環境和大的產熱量，各區域都處于高溫狀態，溫度相當；②填充PCM的電池組由于PCM熔化吸收相變潛熱而形成較好的冷卻，溫度場的分布具有較好的一致性。

注意到，圖4(b)中PCM冷卻的電池組溫度曲線在10～50s出現波動，見圖4(c)，這是由于高溫環境和大電流的同時作用而對電池組形成反加熱，電池組高溫區域和低溫區域的PCM幾乎同時達到熔點溫度42℃，導致這兩部分區域的電池組在這一時間段中的溫降幅度相差不大，所以曲線顯示出局部的波動，這個結果與文獻[6]的結果吻合；從全局來看，電池組整體的溫差經歷初始的上升之后，呈現出趨于穩定的趨勢。

圖4Tm=40℃，6C放電的電池組溫度場分布

從以上的討論可知，在高溫大電流的濫用條件下，PCM對維持電池組的溫度在安全范圍之內有很重要的意義。

4 結 論

基于鋰離子電池的熱效應方程，建立了電池組PCM熱管理系統的模型，對電池在正常條件和濫用條件下的使用進行了研究，結果表明：PCM熱管理系統能夠維持電池組的溫度在安全溫度50℃下，并且保證全局的最大溫差在要求的5℃之內，對工況的適應性很好，很好的滿足了電池的工作要求，顯示出非常好的冷卻性能。另外，值得注意的是，PCM有不同的熔點溫度，根據實際使用的需要，可以通過選擇不同熔點的PCM來滿足工作要求，這是PCM一個很明顯的優勢。

[1] 楊志剛，黃慎，趙蘭萍. 電動汽車鋰離子電池組散熱優化設計[J].計算機輔助工程，2011，20（3）：1-5.

[2] Bandhauer T M，Garimella S，Fuller T F. A critical review of thermal issues in lithium-ion batteries[J].Journal of the Electrochemical Society，2011，158（3）：R1-R25.

[3] 付正陽，林成濤，陳全世. 電動汽車電池組熱管理系統的關鍵技術[J]. 公路交通科技，2005，22（3）：119-123.

[4]Rao Z，Wang S. A review of power battery thermal energy management[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15（9）：4554-4571.

[5] Al Hallaj S，Selman J. A novel thermal management system for electric vehicle batteries using phase-change material[J].Journal of the Electrochemical Society，2000，147（9）：3231-3236.

[6] 饒中浩，汪雙鳳，洪思慧，等．電動汽車動力電池熱管理實驗與數值分析[J]. 工程熱物理學報，2013（6）：1157-1160.

[7] Sabbah R，Kizilel R，Selman J，et al，Active （air-cooled）vs. passive（phase change material） thermal management of high power lithium-ion packs：Limitation of temperature rise and uniformity of temperature distribution[J].Journal of Power Sources，2008，182（2）：630-638.

[8] 田爽. 鋰離子電池的熱特性研究[D]. 天津：天津大學，2007.

[9] Sato N. Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles[J].Journal of Power Sources，2001，99（1）：70-77.

[10] Rao Z，Wang S，Zhang G. Simulation and experiment of thermal energy management with phase change material for ageing LiFePO4power battery[J].Energy Conversion and Management，2011，52（12）：3408-3414.

[11] Kizilel R，Sabbah R，Selman J R，et al. An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs[J].Journal of Power Sources，2009，194（2）：1105-1112.

[12] Kizilel R，Lateef A，Sabbah R，et al. Passive control of temperature excursion and uniformity in high-energy Li-ion battery packs at high current and ambient temperature[J].Journal of Power Sources，2008，183（1）：370-375.

A novel thermal management system for EV batteries using phase-change material

JIN Pengchao1，WANG Shixue1，2
（1School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2MOE Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A novel thermal management system for electric vehicle (EV) high-power lithium-ion pack that incorporates phase-change material (PCM) was proposed and investigated under the normal and stressful conditions. Based on ecomputational fluid dynamics (CFD)，numerical simulations were perfomed under extreme conditions，such as high ambient temperature and high discharge rate，to analyze the thermal behavior of lithium-ion battery pack with a PCM thermal management system. Contrary to the lithium-ion pack without thermal management system for the same compact module and pack configuration，the temperature profile of the cells using PCM was obviously improved during abusive discharge，with a desired maximum temperature below 50℃ and temperature difference within 5℃ and full capacity utilized. In addition，the passive cooling system was able to meet the operating range requirements under these abusive conditions without additional external power.

electric vehicle；lithium-ion battery；phase change；material；PCM thermal management；abusive condition

TK 11

A

1000-6613（2014）10-2608-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.015

2014-02-06；修改稿日期：2014-03-04。

科技部國際合作項目（2013DFG60080）。

靳鵬超（1987—），男，碩士研究生。E-mail pengchaojin2014@ 163.com。聯系人：王世學，博士，研究員。E-mail wangshixue_64@ tju.edu.cn。