基于相變材料的電池組復(fù)合散熱方式性能研究

王秋詩(shī) 蘭 博 畢海權(quán)

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基于相變材料的電池組復(fù)合散熱方式性能研究

王秋詩(shī) 蘭 博 畢海權(quán)

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 611756）

針對(duì)電動(dòng)汽車目前對(duì)動(dòng)力電池組的溫度控制要求，優(yōu)化了現(xiàn)有電池箱，設(shè)計(jì)了新型復(fù)合相變材料與熱管耦合電池組散熱結(jié)構(gòu)；依據(jù)鈷酸鋰動(dòng)力電池組在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中的應(yīng)用，搭建試驗(yàn)臺(tái)，制作相應(yīng)樣機(jī)，進(jìn)行了充電效果實(shí)驗(yàn)和溫度測(cè)量；對(duì)所設(shè)計(jì)不同散熱方式所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出復(fù)合相變材料與熱管耦合電池組散熱的效果。

電池?zé)峁芾恚粡?fù)合相變材料；溫度；熱管；電動(dòng)汽車

0 引言

現(xiàn)今電動(dòng)汽車快速發(fā)展，動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車上最為重要的部件，提高其性能尤為值得研究[1]。動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能裝置元件，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，它在充、放電過程中產(chǎn)生大量的熱量引起電池模塊內(nèi)部的單體電池出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，使得各個(gè)單體電池之間產(chǎn)生嚴(yán)重的不均衡溫度分布，以及電池組局部過熱，從而造成單體電池之間的性能不匹配，進(jìn)一步導(dǎo)致電池模塊過早失效[2]。

在動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻是較為常用的三種冷卻方式。其中，前兩種是主動(dòng)熱管理，第三種是被動(dòng)熱管理[3]。其中單一的散熱方式在國(guó)內(nèi)已有的研究較多，而傳統(tǒng)的自然和強(qiáng)制風(fēng)冷的方法難以滿足動(dòng)力電池組的散熱要求，易導(dǎo)致現(xiàn)有電池組性能失效。所以，本文把相變材料-熱管翅片-強(qiáng)迫空氣對(duì)流耦合散熱方案用于動(dòng)力電池散熱，將翅片組裝于熱管冷凝段，相變材料填充于電池單體之間，強(qiáng)迫空氣對(duì)流散熱。在自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流的情況下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析，建立了新型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 儀器及材料

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M某公司18650鈷酸鋰電池，該電池容量2200mAh，直徑0.018m，高0.065m。具體使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備表

1.2 相變材料用量計(jì)算

計(jì)算冷卻特定工作狀況下的電池所需要的相變材料的質(zhì)量可采用計(jì)算公式（1）得到[4]：

式中：C為工質(zhì)的比熱容，J/(kg·K)；為工質(zhì)的質(zhì)量，kg；T為工質(zhì)的初始溫度，℃；T為工質(zhì)的沸點(diǎn)溫度，℃；Q為工質(zhì)吸收的熱量，J；為工質(zhì)的相變潛熱，J/kg。

利用上式，可以計(jì)算出使一個(gè)電池保持在合適且穩(wěn)定工作溫度范圍下所需要的相變材料的質(zhì)量。假定電池最佳工作溫度為40℃-50℃，查得成都2016年平均氣溫16℃，已知復(fù)合相變材料相變溫度為40℃，Q、C、由文獻(xiàn)[5]查取并計(jì)算得出所需相變材料985.4g。在保證石蠟總質(zhì)量不變前提下，改變石墨添加量，并研究石蠟/石墨復(fù)合相變材料的組成對(duì)電池散熱性能影響，為此配制了3種石蠟/石墨復(fù)合相變材料，其組成和主要熱物理性質(zhì)見表2。

表2 復(fù)合相變材料配制比例和主要熱物理性質(zhì)

1.3 電池單體排列方式

目前大多數(shù)電池為順排和叉排，但是由于冷卻風(fēng)冷卻上游電池模塊，自身溫度上升，其冷卻下游電池的能力下降，整個(gè)電池箱內(nèi)的整體溫度分布不均。因此，在叉排排列的基礎(chǔ)上提出的梯形排列，可以在一定程度上緩解上述溫度分布不均勻的問題[6]。

根據(jù)梯形排列方式，選用某公司18650鈷酸鋰電池為研究對(duì)象進(jìn)行建模，并且進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅考慮26個(gè)電池單體作為研究對(duì)象。單體電池尺寸為18mm×65mm，26個(gè)電池呈梯形排列，電池均勻排列且兩兩間距為35mm，本文建立的電池箱體梯形排布如圖1所示。

圖1 電池箱體梯形排布

1.4 冷卻系統(tǒng)裝置說明

相變材料與熱管耦合散熱冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括生熱部分和散熱部分的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)、相變材料的選用以及填充位置確定等方面。考慮到動(dòng)力電池的空間布局，該冷卻系統(tǒng)采用重力型熱管[7]。

圖2 熱管-翅片式電池冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2所示為相變材料與熱管耦合散熱冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)選用石蠟石墨復(fù)合相變材料為散熱材料，翅片材料為鋁，熱管材料為銅，電池箱體及殼層材料均為不銹鋼。所設(shè)計(jì)冷卻體統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，則各部件制造所需材料少，成本較低。

1.5 實(shí)驗(yàn)方案

由于在受熱（冷卻）過程中隨著材料本身狀態(tài)的變化，相變材料的導(dǎo)熱過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，導(dǎo)熱系數(shù)在相變前后是不斷變化的，到目前為止其測(cè)試方法還沒有統(tǒng)一的國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，因此有必要對(duì)相變材料在相變過程中的導(dǎo)熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[8]。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中采用的方法是控制變量法，即改變某一單一變量而其他參數(shù)保持不變。實(shí)驗(yàn)過程是在該方案的基礎(chǔ)上測(cè)試電池模塊的散熱性能。模塊內(nèi)包含26個(gè)電芯，電芯高80mm，外部熱管翅片高度為80mm。因此實(shí)驗(yàn)過程中需要改變的變量是相變材料的有無(wú)、風(fēng)速的大小和室內(nèi)環(huán)境空氣溫度。

實(shí)驗(yàn)過程中，為了驗(yàn)證熱管翅片的散熱能力，電池模塊的外表面需做保溫處理，使電芯工作時(shí)散發(fā)的熱量絕大部分由外部導(dǎo)熱片與空氣對(duì)流換熱帶走。

1.5.1 相變材料冷卻效果測(cè)試

具體操作如下：對(duì)電池箱進(jìn)行保溫處理，然后增加到設(shè)定電壓使電池發(fā)熱。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，記錄相變材料有無(wú)時(shí)電池最大溫差和長(zhǎng)時(shí)間后局部所達(dá)到的最大溫度。

1.5.2 相變材料結(jié)合風(fēng)冷效果測(cè)試

在之前的基礎(chǔ)上增加熱管和翅片，通過風(fēng)機(jī)來(lái)進(jìn)行對(duì)流散熱。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，記錄相變材料有無(wú)時(shí)電池最大溫差和長(zhǎng)時(shí)間后局部所達(dá)到的最大溫度。

1.5.3 不同環(huán)境溫度工況對(duì)散熱效果測(cè)試

實(shí)驗(yàn)確定實(shí)際工作溫度最極端的兩種情況，分別為夏季工況和冬季工況。夏季工況環(huán)境溫度設(shè)定為22℃，冬季工況環(huán)境溫度設(shè)定為12℃，通過加熱器對(duì)環(huán)境加熱進(jìn)行控制，用熱電偶進(jìn)行實(shí)際溫度調(diào)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 電池發(fā)熱特性

圖3 自然冷卻下各個(gè)測(cè)點(diǎn)電池溫升

考慮在自然條件下對(duì)電池發(fā)熱特性進(jìn)行研究。首先，在初始室溫為12.33℃的條件下，對(duì)模塊進(jìn)行保溫處理，沒有進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，改變電壓和電流，使每一個(gè)電池單體放熱功率為0.83W，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3。

由圖3處理結(jié)果可知，對(duì)箱體進(jìn)行保溫處理后，沒有強(qiáng)制通風(fēng)對(duì)流冷卻的條件下，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到2小時(shí)左右，電芯表面溫度就已經(jīng)接近56℃，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到3小時(shí)電芯表面最高溫度已經(jīng)接近60℃。考慮電池內(nèi)部溫度分布不均勻的問題，為此研究電池內(nèi)部最大溫差變化情況，如圖4。

圖4 自然冷卻下電池內(nèi)部最大溫差變化

由圖4可以看出，電芯表面的溫差在實(shí)驗(yàn)前25min階段有一個(gè)明顯增大過程，后來(lái)逐漸減少，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行溫差有增大的趨勢(shì)，在100min后逐漸穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)溫差達(dá)到最大值為24.6℃。

由此可見，該工況下電池內(nèi)最高溫度較高，最大溫差較大，僅通過自然對(duì)流散熱并不能對(duì)電池模塊起到很好的冷卻效果。電池通過這種單一散熱方式，會(huì)由于溫差過大和溫度過高等因素，大大減少電池壽命。因此，對(duì)于動(dòng)力電池在單一散熱模式下的改進(jìn)顯得尤為重要。

2.2 不同散熱方式比較

通過對(duì)自然對(duì)流換熱條件下電池散熱情況實(shí)驗(yàn)分析與數(shù)值計(jì)算，確定了不同工況下的散熱方案。首先，根據(jù)表1比較不同石蠟石墨配比下的熱物理性質(zhì)，選擇熱物理性質(zhì)相對(duì)適中的填充質(zhì)量比為4:1的復(fù)合相變材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。考慮到熱管散熱具有效果好、熱阻小、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)噪音、導(dǎo)熱系數(shù)是普通金屬100倍以上的特點(diǎn)，所以附加熱管翅片進(jìn)行輔助散熱。另外，電池在冬季和夏季發(fā)熱情況不同，為此增加冬季工況和夏季工況的電池分析，來(lái)研究室外溫度對(duì)電池發(fā)熱、散熱情況的影響。最后，考慮引空調(diào)風(fēng)風(fēng)速大小對(duì)電池發(fā)熱、散熱情況的影響。

設(shè)定表3的六組實(shí)驗(yàn)，對(duì)以上各組情況進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3、圖5。

表3 不同散熱方式下電池溫度參數(shù)對(duì)比

圖5 不同散熱方式下電池溫升

3 結(jié)論

（1）對(duì)比實(shí)驗(yàn)1、2可得出：填充相變材料后，電池最高溫度從59.4℃降至56.4℃，溫差從24.8℃降至14.4℃。故填充相變材料一定程度上能夠降低最大溫度，有效減少電池內(nèi)部各點(diǎn)溫差。

（2）對(duì)比實(shí)驗(yàn)2、3可得出：其余條件不變，引入風(fēng)冷加熱管翅片，電池最高溫度從56.4℃降至41.9℃，溫差從14.4℃降至11.4℃。大大降低了電池的最高溫度，溫差略有降低。故加入熱管翅片進(jìn)行風(fēng)冷能夠有效降低電池最高溫度，一定程度上能夠緩解電池內(nèi)部溫差。

（3）對(duì)比實(shí)驗(yàn)3、4、5、6：其余條件不變，風(fēng)速增大至2.4m/s，冬季工況下，電池最高溫度從41.9℃降至41.1℃，溫差從11.4℃降至8.2℃。夏季工況下，電池最高溫度從50.4℃降至49.3℃，溫差從10.9℃降至7.5℃。溫度和溫差變化不大，為此可以從節(jié)能的角度分析較為經(jīng)濟(jì)合理的引空調(diào)風(fēng)風(fēng)速。同時(shí)，通過夏季工況和冬季工況對(duì)比分析，在夏季工況時(shí)明顯需要加強(qiáng)散熱。

鈷酸鋰動(dòng)力電池采用相變材料-熱管翅片-強(qiáng)迫空氣對(duì)流耦合散熱方案具有良好的冷卻效果，電池溫度有非常明顯的下降，最大溫度最大有接近18℃的溫度下降，電池模塊內(nèi)部不同熱邊界條件下的26節(jié)電池單體的溫差明顯下降，最大降低了17.3℃，說明相變材料-熱管翅片-強(qiáng)迫空氣對(duì)流耦合散熱方式具有降低溫度和控制溫差的能力，進(jìn)而延長(zhǎng)電池壽命，減少其對(duì)環(huán)境的污染。同時(shí)，該冷卻系統(tǒng)具有形式和布置靈活，系統(tǒng)緊湊，投資費(fèi)用適中等特點(diǎn)，進(jìn)一步完善后，可應(yīng)用于混合動(dòng)力車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，對(duì)于未來(lái)新能源汽車的發(fā)展具有促進(jìn)作用。

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Cooling Performance Experiment of Battery Pack Based on Phase Change Material

Wang Qiushi Lan Bo Bi Haiquan

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 611756 )

In terms of the temperature control of battery pack required by current electric vehicles, optimized current battery pack, designed a new battery pack cooling system made of composite PCM coupling with heat pipe. Based on the application of lithium cobalt oxide battery pack in hybrid electric vehicles, set up a mechanical workbench, made the corresponding prototype, carried out charging effect test and temperature measurement; conducted comparative analysis to several different cooling methods, concluded the thermal effect of composite PCM coupling with heat pipe.

Battery Thermal Management; Composite Phase Change Material; Temperature; Heat Pipe; Electric Vehicle

1671-6612（2016）06-712-04

TM911

A

王秋詩(shī)（1994.10-），男，在讀本科生，E-mail：wqs1006@hotmail.com

畢海權(quán)（1974.12-），男，博士，教授，研究方向?yàn)樗淼劳L(fēng)及火災(zāi)、建筑節(jié)能，E-mail：bhquan@163.com

2016-08-10