一種新型電池?zé)峁芾矸桨傅挠绊懸蛩匮芯?/h1>
2018-10-15 07:02:18江振文杜鴻達(dá)鄭心緯杜明徽康飛宇
通信電源技術(shù) 2018年8期
江振文，杜鴻達(dá)，鄭心緯，杜明徽，康飛宇
（清華大學(xué)深圳研究生院 能源與環(huán)境學(xué)部，廣東 深圳 518055）
0 引 言
當(dāng)今社會(huì)條件下，隨著污染與能源消耗的加劇，人們對(duì)節(jié)能與環(huán)保越來(lái)越重視。電動(dòng)汽車作為一種環(huán)保高效無(wú)污染的新型汽車，已經(jīng)受到大眾的廣泛關(guān)注。發(fā)展電動(dòng)汽車，關(guān)鍵是發(fā)展動(dòng)力電池，而鋰離子電池由于具有能量密度高、重量輕、體積小、安全等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1]，成為國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)。但是，鋰離子電池受溫度影響很大，溫度過(guò)高或過(guò)低都不利于鋰離子電池性能的發(fā)揮[2]。溫度過(guò)高，鋰離子電池容易發(fā)熱，甚至爆炸；溫度過(guò)低，電池充放電很淺，不能充分發(fā)揮性能。因此，一個(gè)適當(dāng)?shù)碾姵責(zé)峁芾韺?duì)動(dòng)力電池具有極大意義。
目前，傳統(tǒng)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包括空冷式散熱系統(tǒng)和水冷式散熱系統(tǒng)。但是，泵、風(fēng)扇和必要的組件會(huì)使得系統(tǒng)復(fù)雜，同時(shí)降低電池的能量利用效率[2]。以相變材料為基的熱管理方法作為一種新型的熱管理方式，主要是利用相變材料（PCM）的融化潛熱吸收電池產(chǎn)生的熱量而對(duì)電池進(jìn)行冷卻散熱，同時(shí)將電池放出的熱量以潛熱的形式儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)電池在低溫下工作時(shí)釋放出來(lái)，以改善電池的低溫性能，且相變材料具有絕緣、無(wú)毒、成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]，具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。然而，電動(dòng)車行駛過(guò)程中，由于電池的持續(xù)產(chǎn)熱，在某些極端條件下，可能會(huì)造成PCM冷卻失效的問(wèn)題，導(dǎo)致電池的溫度繼續(xù)升高，給電動(dòng)車帶來(lái)安全隱患。水冷式散熱具有冷卻速度快、冷卻效率高等優(yōu)點(diǎn)，可將其與以PCM為基礎(chǔ)的散熱相結(jié)合，一方面利用相變材料大潛熱吸收電池產(chǎn)生的熱量，另一方面利用水冷方式將PCM中存儲(chǔ)的能量及時(shí)帶走，保證對(duì)動(dòng)力電池的持續(xù)散熱。同時(shí)，由于水管只與PCM接觸，避免了與電池的直接接觸可能帶來(lái)的隱患，具有更高的安全性。
在PCM已經(jīng)從電池組中吸熱的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)對(duì)PCM散熱進(jìn)行仿真，以1 800 s時(shí)PCM表面溫度為監(jiān)控參數(shù)，探究了影響PCM散熱效果的幾個(gè)主要影響因素，并對(duì)其影響力大小進(jìn)行分析，以期為之后的電池?zé)峁芾矸桨冈O(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供幫助。
1 數(shù)值模擬
1.1 仿真方案及模型建立
為了簡(jiǎn)化模型，只畫出在PCM中嵌入水管的冷卻模型，如圖1所示。水管位于PCM中心位置，在水管中加入流動(dòng)水，通過(guò)改變不同參數(shù)確定不同影響因素對(duì)PCM散熱的影響。相變材料的尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，水管直徑D=20 mm，長(zhǎng)度l=500 mm，厚度為1 mm，水管材料為Al，內(nèi)部通的冷卻液體為水。
圖1 PCM水冷散熱模型
1.2 數(shù)值模擬及方程
相變過(guò)程中，相變材料的焓會(huì)急劇增加。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，方便對(duì)PCM進(jìn)行散熱研究，本仿真對(duì)相變材料做出如下假設(shè)[4]：
（1）石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料內(nèi)部各物質(zhì)分布均勻，且物性參數(shù)各向同性；石蠟融化后再膨脹，石墨內(nèi)不會(huì)流動(dòng)；
（2）相變材料的比熱容、密度計(jì)導(dǎo)熱系數(shù)、相變潛熱，在整個(gè)過(guò)程始終為恒定值。
基于以上假設(shè)，數(shù)值模擬中的控制方程為[4]：
仿真過(guò)程中，管內(nèi)流體的能量守恒方程為：
相應(yīng)的動(dòng)量守恒方程為：
流體連續(xù)性方程為：
1.3 CFX處理
本次仿真求解器采用CFX。仿真模擬中，PCM初始溫度設(shè)為50 ℃，冷卻液體為水，初始溫度為25 ℃，水流速為0.5 m/s。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)與外界無(wú)換熱，并忽略整個(gè)系統(tǒng)的接觸熱阻。在CFX前處理中，將動(dòng)量方程方程設(shè)置為湍流，將每次迭代補(bǔ)償設(shè)置為100，以便更快速、精確地求解動(dòng)量方程。
2 計(jì)算結(jié)果與分析
2.1 PCM尺寸對(duì)PCM表面溫度的影響
在水溫度為25 ℃、流速為0.5 m/s、水管直徑為20 mm條件下，當(dāng)相變材料側(cè)面長(zhǎng)度分別為50 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm及120 mm時(shí)，相變材料表面溫度變化情況及溫度分布圖如圖2、圖3所示。
可以看到，隨著時(shí)間的增加，PCM表面溫度逐漸下降，但不同尺寸的PCM溫度下降速度不同。隨著PCM尺寸的增加，PCM表面溫度下降速度明顯減小。原因是在熱導(dǎo)率、與水管接觸面積相同的情況下，熱量傳遞速度相同，PCM的尺寸越大，熱量越多，傳遞的越慢，導(dǎo)致溫度降低的速度會(huì)明顯降低。當(dāng)PCM的尺寸為100 mm×100 mm×500 mm時(shí)，在時(shí)間為1 800 s、溫度降低到30 ℃時(shí)，對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，也處于正常的工作范圍。
圖2 不同PCM尺寸下PCM表面溫度隨時(shí)間變化關(guān)系圖
圖3 不同PCM尺寸下PCM表面溫度分布圖
2.2 水管直徑對(duì)PCM表面溫度的影響
當(dāng)水管的外徑分別為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm和40 mm時(shí)，相變材料表面溫度變化情況如圖4、圖5所示。由圖4可以看到，在保持其他參數(shù)不變的情況下，隨著水管管徑的增加，PCM表面溫度逐漸下降，且PCM表面溫度是隨著管徑的增加而均勻變化，平均管徑每增加1 mm，PCM表面溫度降低2 ℃。圖5顯示了仿真結(jié)束時(shí)不同管徑下的溫度分布云圖，與上述結(jié)果值吻合。
圖4 不同管徑下PCM表面溫度隨時(shí)間變化關(guān)系示意圖
圖5 不同管徑尺寸溫度分布圖
2.3 PCM導(dǎo)熱率對(duì)PCM表面溫度的影響
當(dāng)PCM熱導(dǎo)率分別為1 W/（m·K）、3 W/（m·K）、5 W/（m·K）、7 W/（m·K）、9.795 W/（m·K）和 15 W/（m·K）時(shí)，PCM表面溫度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖6所示。
圖6 不同熱導(dǎo)率下PCM表面溫度隨時(shí)間變化關(guān)系示意圖
可以看出，當(dāng)PCM熱導(dǎo)率小于5 W/（m·K）時(shí)，隨著熱導(dǎo)率的增加，PCM表面溫度降低明顯。例如，當(dāng)熱導(dǎo)率為1 W/（m·K）時(shí)，PCM表面溫度在1 800 s時(shí)為48.4 ℃；當(dāng)導(dǎo)熱率增加到3 W/（m·K）后，PCM表面溫度變?yōu)?3.2 ℃；當(dāng)導(dǎo)熱率大于7 W/（m·K）后，隨著導(dǎo)熱率的增加，PCM表面溫度降低速度明顯減小。
關(guān)于這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可以用熱阻的概念來(lái)解釋[3]。熱量傳熱的簡(jiǎn)化表達(dá)式為：
其中，Δt為PCM與冷卻水之間的溫度差，℃；σ為熱量傳遞距離，m；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；h為換熱系數(shù)，W/（m2·K）；q為熱流密度，W/m2。
在等式右邊其他條件都相同的情況下，隨著熱導(dǎo)率的增加，PCM與冷卻水之間的溫度差Δt逐漸減小，所以PCM的溫降減小，從圖7的分布云圖中可以看到這一點(diǎn)。
2.4 水流速對(duì)PCM表面溫度的影響
保持其他條件不變，設(shè)置水流速分別為0.1 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s、0.7 m/s、0.9 m/s和 1.2 m/s時(shí)，PCM表面溫度變化情況如圖8、圖9所示?？梢钥吹?，隨著水流速的增加，PCM表面溫度總體呈下降趨勢(shì)。當(dāng)水流速小于0.5 m/s時(shí)，PCM表面溫度降低明顯；當(dāng)水流速?gòu)?.1 m/s增加到0.3 m/s時(shí)，PCM在1 800 s時(shí)，表面溫度從41.3 ℃降低到36.5 ℃，溫度下降接近5 ℃；隨著流速的進(jìn)一步增加，PCM表面溫度下降緩慢，如從0.5 m/s增加到2 m/s時(shí)，溫度只降低了2.1 ℃。
圖7 不同熱導(dǎo)率溫度分布圖
圖8 不同流速下PCM表面溫度隨時(shí)間變化關(guān)系示意圖
圖9 不同水速溫度分布圖
原因也同樣可由熱阻的概念解釋。在熱量傳遞距離、PCM熱導(dǎo)率、熱流密度q都不變的條件下，增加水的流速，冷卻水的換熱系數(shù)也會(huì)隨之增加，因此會(huì)導(dǎo)致PCM與冷卻水之間的溫度差逐漸減小，所以PCM的溫降也會(huì)減小。
2.5 不同影響因素權(quán)重分析
由前面的結(jié)果分析可知，對(duì)PCM表面溫度有影響的主要有四個(gè)因素，分別為PCM尺寸（A）、水管管徑（B）、PCM導(dǎo)熱率（C）和水流速（D）。為了進(jìn)一步分析得到最佳的電池?zé)峁芾矸桨福瑢?duì)這四個(gè)主要影響因素進(jìn)行權(quán)重分析。
本次權(quán)重分析采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)四因素均采用3水平，考察的指標(biāo)為1 800 s時(shí)PCM表面的電池溫度，并對(duì)正交設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到各因素影響力大小。
表1為四因素不同水平所選取的參數(shù)在不同實(shí)驗(yàn)條件下所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和極差分析，結(jié)果如表2、表3所示。
在極差分析表中，Kij表示任一列上水平號(hào)為i（本設(shè)計(jì)中i=1、2、3）、因素?cái)?shù)為j（本設(shè)計(jì)中j=A、B、C或D）時(shí)，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和。各因素最優(yōu)水平根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定。本次設(shè)計(jì)中，溫度越低，表明效果越好，因此應(yīng)選取使指標(biāo)小的水平，即各列Ki中最小的值所對(duì)應(yīng)的水平。極差R=max(K1j,K2j,K3j)-min(K1j,K2j,K3j)，表明了影響力的大小。不同的極差，表明各因素水平的改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是不同的。極差越大，表明該列因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上變化更大，影響力越大。所以，四因素的影響力大小為：PCM尺寸＞PCM熱導(dǎo)率＞管徑尺寸＞流速。
表1 四因素三水平表
表2 電池溫度極差分析表一
表3 極差分析表二
3 結(jié) 論
本文重點(diǎn)研究了在水管結(jié)合PCM電池散熱系統(tǒng)中影響PCM異地散熱的主要因素，并對(duì)其影響因素進(jìn)行權(quán)重分析，可以得出結(jié)論：
（1）利用冷卻水流動(dòng)可有效吸收PCM中存儲(chǔ)的熱量，保證PCM溫度的進(jìn)一步升高，從而為電動(dòng)車的持續(xù)運(yùn)行提供基礎(chǔ)；
（2）PCM尺寸的增加會(huì)降低其表面散熱速度，也會(huì)增加PCM內(nèi)部溫度不均勻性；水管管徑增加，會(huì)增加表面散熱速度，且速度增長(zhǎng)率與其尺寸變化大致呈正比例；增加水流速，在水流速小于0.5 m/s時(shí)，可有效降低PCM表面溫度；但隨著流速的進(jìn)一步增加，對(duì)PCM表面溫度影響很?。辉赑CM導(dǎo)熱率較小時(shí)，增加導(dǎo)熱率會(huì)極大增加PCM表面溫度降低速度，但隨著導(dǎo)熱率進(jìn)一步增加，對(duì)PCM表面溫度影響逐漸減小。
（3）通過(guò)采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，利用極差分析，可得出四個(gè)主要影響因素的影響力大小為：PCM尺寸＞PCM熱導(dǎo)率＞水管管徑＞水流速。
江振文，杜鴻達(dá)，鄭心緯，杜明徽，康飛宇
（清華大學(xué)深圳研究生院 能源與環(huán)境學(xué)部，廣東 深圳 518055）
0 引 言
當(dāng)今社會(huì)條件下，隨著污染與能源消耗的加劇，人們對(duì)節(jié)能與環(huán)保越來(lái)越重視。電動(dòng)汽車作為一種環(huán)保高效無(wú)污染的新型汽車，已經(jīng)受到大眾的廣泛關(guān)注。發(fā)展電動(dòng)汽車，關(guān)鍵是發(fā)展動(dòng)力電池，而鋰離子電池由于具有能量密度高、重量輕、體積小、安全等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1]，成為國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)。但是，鋰離子電池受溫度影響很大，溫度過(guò)高或過(guò)低都不利于鋰離子電池性能的發(fā)揮[2]。溫度過(guò)高，鋰離子電池容易發(fā)熱，甚至爆炸；溫度過(guò)低，電池充放電很淺，不能充分發(fā)揮性能。因此，一個(gè)適當(dāng)?shù)碾姵責(zé)峁芾韺?duì)動(dòng)力電池具有極大意義。
目前，傳統(tǒng)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包括空冷式散熱系統(tǒng)和水冷式散熱系統(tǒng)。但是，泵、風(fēng)扇和必要的組件會(huì)使得系統(tǒng)復(fù)雜，同時(shí)降低電池的能量利用效率[2]。以相變材料為基的熱管理方法作為一種新型的熱管理方式，主要是利用相變材料（PCM）的融化潛熱吸收電池產(chǎn)生的熱量而對(duì)電池進(jìn)行冷卻散熱，同時(shí)將電池放出的熱量以潛熱的形式儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)電池在低溫下工作時(shí)釋放出來(lái)，以改善電池的低溫性能，且相變材料具有絕緣、無(wú)毒、成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]，具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。然而，電動(dòng)車行駛過(guò)程中，由于電池的持續(xù)產(chǎn)熱，在某些極端條件下，可能會(huì)造成PCM冷卻失效的問(wèn)題，導(dǎo)致電池的溫度繼續(xù)升高，給電動(dòng)車帶來(lái)安全隱患。水冷式散熱具有冷卻速度快、冷卻效率高等優(yōu)點(diǎn)，可將其與以PCM為基礎(chǔ)的散熱相結(jié)合，一方面利用相變材料大潛熱吸收電池產(chǎn)生的熱量，另一方面利用水冷方式將PCM中存儲(chǔ)的能量及時(shí)帶走，保證對(duì)動(dòng)力電池的持續(xù)散熱。同時(shí)，由于水管只與PCM接觸，避免了與電池的直接接觸可能帶來(lái)的隱患，具有更高的安全性。
在PCM已經(jīng)從電池組中吸熱的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)對(duì)PCM散熱進(jìn)行仿真，以1 800 s時(shí)PCM表面溫度為監(jiān)控參數(shù)，探究了影響PCM散熱效果的幾個(gè)主要影響因素，并對(duì)其影響力大小進(jìn)行分析，以期為之后的電池?zé)峁芾矸桨冈O(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供幫助。
1 數(shù)值模擬
1.1 仿真方案及模型建立
為了簡(jiǎn)化模型，只畫出在PCM中嵌入水管的冷卻模型，如圖1所示。水管位于PCM中心位置，在水管中加入流動(dòng)水，通過(guò)改變不同參數(shù)確定不同影響因素對(duì)PCM散熱的影響。相變材料的尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，水管直徑D=20 mm，長(zhǎng)度l=500 mm，厚度為1 mm，水管材料為Al，內(nèi)部通的冷卻液體為水。
圖1 PCM水冷散熱模型
1.2 數(shù)值模擬及方程
相變過(guò)程中，相變材料的焓會(huì)急劇增加。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，方便對(duì)PCM進(jìn)行散熱研究，本仿真對(duì)相變材料做出如下假設(shè)[4]：
（1）石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料內(nèi)部各物質(zhì)分布均勻，且物性參數(shù)各向同性；石蠟融化后再膨脹，石墨內(nèi)不會(huì)流動(dòng)；
（2）相變材料的比熱容、密度計(jì)導(dǎo)熱系數(shù)、相變潛熱，在整個(gè)過(guò)程始終為恒定值。
基于以上假設(shè)，數(shù)值模擬中的控制方程為[4]：
仿真過(guò)程中，管內(nèi)流體的能量守恒方程為：
相應(yīng)的動(dòng)量守恒方程為：
流體連續(xù)性方程為：
1.3 CFX處理
本次仿真求解器采用CFX。仿真模擬中，PCM初始溫度設(shè)為50 ℃，冷卻液體為水，初始溫度為25 ℃，水流速為0.5 m/s。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)與外界無(wú)換熱，并忽略整個(gè)系統(tǒng)的接觸熱阻。在CFX前處理中，將動(dòng)量方程方程設(shè)置為湍流，將每次迭代補(bǔ)償設(shè)置為100，以便更快速、精確地求解動(dòng)量方程。
2 計(jì)算結(jié)果與分析
2.1 PCM尺寸對(duì)PCM表面溫度的影響
在水溫度為25 ℃、流速為0.5 m/s、水管直徑為20 mm條件下，當(dāng)相變材料側(cè)面長(zhǎng)度分別為50 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm及120 mm時(shí)，相變材料表面溫度變化情況及溫度分布圖如圖2、圖3所示。
可以看到，隨著時(shí)間的增加，PCM表面溫度逐漸下降，但不同尺寸的PCM溫度下降速度不同。隨著PCM尺寸的增加，PCM表面溫度下降速度明顯減小。原因是在熱導(dǎo)率、與水管接觸面積相同的情況下，熱量傳遞速度相同，PCM的尺寸越大，熱量越多，傳遞的越慢，導(dǎo)致溫度降低的速度會(huì)明顯降低。當(dāng)PCM的尺寸為100 mm×100 mm×500 mm時(shí)，在時(shí)間為1 800 s、溫度降低到30 ℃時(shí)，對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，也處于正常的工作范圍。
圖2 不同PCM尺寸下PCM表面溫度隨時(shí)間變化關(guān)系圖
圖3 不同PCM尺寸下PCM表面溫度分布圖
2.2 水管直徑對(duì)PCM表面溫度的影響
當(dāng)水管的外徑分別為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm和40 mm時(shí)，相變材料表面溫度變化情況如圖4、圖5所示。由圖4可以看到，在保持其他參數(shù)不變的情況下，隨著水管管徑的增加，PCM表面溫度逐漸下降，且PCM表面溫度是隨著管徑的增加而均勻變化，平均管徑每增加1 mm，PCM表面溫度降低2 ℃。圖5顯示了仿真結(jié)束時(shí)不同管徑下的溫度分布云圖，與上述結(jié)果值吻合。
圖4 不同管徑下PCM表面溫度隨時(shí)間變化關(guān)系示意圖
圖5 不同管徑尺寸溫度分布圖
2.3 PCM導(dǎo)熱率對(duì)PCM表面溫度的影響
當(dāng)PCM熱導(dǎo)率分別為1 W/（m·K）、3 W/（m·K）、5 W/（m·K）、7 W/（m·K）、9.795 W/（m·K）和 15 W/（m·K）時(shí)，PCM表面溫度隨時(shí)間變化關(guān)系如圖6所示。
圖6 不同熱導(dǎo)率下PCM表面溫度隨時(shí)間變化關(guān)系示意圖
可以看出，當(dāng)PCM熱導(dǎo)率小于5 W/（m·K）時(shí)，隨著熱導(dǎo)率的增加，PCM表面溫度降低明顯。例如，當(dāng)熱導(dǎo)率為1 W/（m·K）時(shí)，PCM表面溫度在1 800 s時(shí)為48.4 ℃；當(dāng)導(dǎo)熱率增加到3 W/（m·K）后，PCM表面溫度變?yōu)?3.2 ℃；當(dāng)導(dǎo)熱率大于7 W/（m·K）后，隨著導(dǎo)熱率的增加，PCM表面溫度降低速度明顯減小。
關(guān)于這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可以用熱阻的概念來(lái)解釋[3]。熱量傳熱的簡(jiǎn)化表達(dá)式為：
其中，Δt為PCM與冷卻水之間的溫度差，℃；σ為熱量傳遞距離，m；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；h為換熱系數(shù)，W/（m2·K）；q為熱流密度，W/m2。
在等式右邊其他條件都相同的情況下，隨著熱導(dǎo)率的增加，PCM與冷卻水之間的溫度差Δt逐漸減小，所以PCM的溫降減小，從圖7的分布云圖中可以看到這一點(diǎn)。
2.4 水流速對(duì)PCM表面溫度的影響
保持其他條件不變，設(shè)置水流速分別為0.1 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s、0.7 m/s、0.9 m/s和 1.2 m/s時(shí)，PCM表面溫度變化情況如圖8、圖9所示?？梢钥吹?，隨著水流速的增加，PCM表面溫度總體呈下降趨勢(shì)。當(dāng)水流速小于0.5 m/s時(shí)，PCM表面溫度降低明顯；當(dāng)水流速?gòu)?.1 m/s增加到0.3 m/s時(shí)，PCM在1 800 s時(shí)，表面溫度從41.3 ℃降低到36.5 ℃，溫度下降接近5 ℃；隨著流速的進(jìn)一步增加，PCM表面溫度下降緩慢，如從0.5 m/s增加到2 m/s時(shí)，溫度只降低了2.1 ℃。
圖7 不同熱導(dǎo)率溫度分布圖
圖8 不同流速下PCM表面溫度隨時(shí)間變化關(guān)系示意圖
圖9 不同水速溫度分布圖
原因也同樣可由熱阻的概念解釋。在熱量傳遞距離、PCM熱導(dǎo)率、熱流密度q都不變的條件下，增加水的流速，冷卻水的換熱系數(shù)也會(huì)隨之增加，因此會(huì)導(dǎo)致PCM與冷卻水之間的溫度差逐漸減小，所以PCM的溫降也會(huì)減小。
2.5 不同影響因素權(quán)重分析
由前面的結(jié)果分析可知，對(duì)PCM表面溫度有影響的主要有四個(gè)因素，分別為PCM尺寸（A）、水管管徑（B）、PCM導(dǎo)熱率（C）和水流速（D）。為了進(jìn)一步分析得到最佳的電池?zé)峁芾矸桨福瑢?duì)這四個(gè)主要影響因素進(jìn)行權(quán)重分析。
本次權(quán)重分析采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)四因素均采用3水平，考察的指標(biāo)為1 800 s時(shí)PCM表面的電池溫度，并對(duì)正交設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到各因素影響力大小。
表1為四因素不同水平所選取的參數(shù)在不同實(shí)驗(yàn)條件下所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和極差分析，結(jié)果如表2、表3所示。
在極差分析表中，Kij表示任一列上水平號(hào)為i（本設(shè)計(jì)中i=1、2、3）、因素?cái)?shù)為j（本設(shè)計(jì)中j=A、B、C或D）時(shí)，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和。各因素最優(yōu)水平根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定。本次設(shè)計(jì)中，溫度越低，表明效果越好，因此應(yīng)選取使指標(biāo)小的水平，即各列Ki中最小的值所對(duì)應(yīng)的水平。極差R=max(K1j,K2j,K3j)-min(K1j,K2j,K3j)，表明了影響力的大小。不同的極差，表明各因素水平的改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是不同的。極差越大，表明該列因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上變化更大，影響力越大。所以，四因素的影響力大小為：PCM尺寸＞PCM熱導(dǎo)率＞管徑尺寸＞流速。
表1 四因素三水平表
表2 電池溫度極差分析表一
表3 極差分析表二
3 結(jié) 論
本文重點(diǎn)研究了在水管結(jié)合PCM電池散熱系統(tǒng)中影響PCM異地散熱的主要因素，并對(duì)其影響因素進(jìn)行權(quán)重分析，可以得出結(jié)論：
（1）利用冷卻水流動(dòng)可有效吸收PCM中存儲(chǔ)的熱量，保證PCM溫度的進(jìn)一步升高，從而為電動(dòng)車的持續(xù)運(yùn)行提供基礎(chǔ)；
（2）PCM尺寸的增加會(huì)降低其表面散熱速度，也會(huì)增加PCM內(nèi)部溫度不均勻性；水管管徑增加，會(huì)增加表面散熱速度，且速度增長(zhǎng)率與其尺寸變化大致呈正比例；增加水流速，在水流速小于0.5 m/s時(shí)，可有效降低PCM表面溫度；但隨著流速的進(jìn)一步增加，對(duì)PCM表面溫度影響很?。辉赑CM導(dǎo)熱率較小時(shí)，增加導(dǎo)熱率會(huì)極大增加PCM表面溫度降低速度，但隨著導(dǎo)熱率進(jìn)一步增加，對(duì)PCM表面溫度影響逐漸減小。
（3）通過(guò)采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，利用極差分析，可得出四個(gè)主要影響因素的影響力大小為：PCM尺寸＞PCM熱導(dǎo)率＞水管管徑＞水流速。
