風冷式CPCM鋰離子電池熱管理系統性能分析

安治國，鄧 芳，嚴 冬，張 顯

(重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074)

鋰離子電池由于具有能量密度高、比功率大、壽命長等優點被廣泛應用于電動汽車。鋰電池單體成組后裝入電池包，其最適宜的工作溫度范圍是20～50 ℃，最大溫差應該小于5 ℃[1-2]。然而，當電動汽車在惡劣工況工作時，電池模組的最高溫度很容易高于電池適宜的溫度范圍，嚴重時可能會發生熱失控甚至爆炸，所以，一個散熱性能優良的電池熱管理系統對電動車動力系統至關重要。

相變材料冷卻利用相變材料(PCM)的相變潛熱吸收電池釋放的熱量，從而對電池的溫度進行控制。與其它冷卻方式相比，采用相變冷卻的電池熱管理系統具有電池模組溫度均勻性好[3]、控溫性能優異[4]、不易發生熱失控[5]的優點。在眾多種類的PCM 中，石蠟具有成本低、無毒、密度小、高潛熱等優點，被作為鋰電池散熱的首選材料。但是，純石蠟PCM 導熱系數較低，而多孔性物質膨脹石墨具有高導熱性，將石蠟與膨脹石墨相結合形成具有高導熱性的復合相變材料(CPCM)是提高石蠟導熱系數的有效方法。Mallow 等[6]對泡沫鋁和膨脹石墨CPCM 進行了對比研究，研究結果表明膨脹石墨CPCM 具有高導熱性、低密度、孔徑小等優點，因此在導熱、恢復、質量等方面均優于泡沫鋁CPCM。

膨脹石墨CPCM 被動熱管理系統具有較好的散熱性能，但是當電動汽車在惡劣工況下長時間工作時，電池的工作溫度將會高于50 ℃，甚至可能引發熱失控。為了進一步提高CPCM 熱管理系統的散熱性能，需要結合主動冷卻散熱方式。Mehrabi-Kermani 等[7]研究了環境溫度為40 ℃時，采用CPCM強制空氣冷卻熱管理系統的鋰離子軟包電池的散熱性能，結果表明該熱管理系統能使PCM 的潛熱盡快恢復，并且能將電池的最高溫度控制在60 ℃以下。Jilte 等[8]采用CPCM 強制空氣冷卻熱管理系統對18650 圓柱形鋰電池組的散熱性能進行研究，發現與單純的PCM 冷卻相比，該系統提高了電池模組的溫度均勻性，具有更好的散熱性能。Chen 等[9]研究了進口速度、相變溫度和環境溫度等參數對采用CPCM 強制空氣冷卻熱管理系統的18650 圓柱形鋰電池組散熱性能進行了研究，得出了進口速度、相變溫度和環境溫度對模組最高溫度及最大溫差的影響規律。

基于以上CPCM 強制風冷耦合熱管理系統的研究成果，本文以膨脹石墨CPCM 強制風冷散熱結構的18650 圓柱形鋰離子電池模組為研究對象，研究了膨脹石墨(EG)質量分數、放電倍率、空氣流速、環境溫度以及充放電循環等對電池組散熱性能的影響。

1 模型與方法

1.1 鋰離子電池熱效應模型

為了方便對鋰離子電池進行熱仿真分析，本文給出以下假設：電池內部熱源穩定，生熱均勻；忽略電池內部輻射換熱和對流換熱；電池內部電解液幾乎不流動；單體電池的各項性能參數不隨溫度和電池電量的改變而變化；電池內部材料物理性質不會因方向不同而變化。基于以上假設，電池發熱過程控制方程如式(1)所示：

式中：λ表示電池內部導熱系數；q表示電池的生熱速率；ρ表示電池的平均密度；Cp表示電池的比熱容。電池單位體積產熱速率q可根據Bernardi 等[10]提出的理論公式進行計算，如式(2)所示：

式中：I表示電池充放電時電流；V表示電池體積；Eoc表示電池開路電壓；E表示電池工作電壓；T表示電池工作環境溫度；dEoc/dT表示熵熱系數。

1.2 電池仿真模型

圖1(a)為膨脹石墨CPCM 電池組的幾何模型，該電池組包含25 只松下NCR18650PF 鋰電池，鋰電池具體技術參數如表1 所示。單體電池的尺寸為18.5 mm×65 mm，電池均勻排列且兩兩間距為5 mm，單體之間填充膨脹石墨CPCM。本文選的PCM 及膨脹石墨CPCM 熱物性參數[11]如表2 所示。其中，PCM 為相變溫度44 ℃的石蠟。

圖1 膨脹石墨CPCM 電池組模型

表1 單體鋰電池部分參數

表2 復合PCM 熱物性參數

對幾何模型進行網格劃分，得到的網格模型如圖1(b)所示，此模型中包含1 728 564 個四面體網格，節點為279 314個。電池模組強制風冷求解域簡化模型如圖1(c)所示。

電池模組仿真在ANSYS/Fluent 中進行，分別研究自然對流條件下不同放電倍率、EG 質量分數對電池組散熱性能的影響，在1C充電/3C放電充放電循環條件下空氣流速對電池組散熱性能的影響以及不同放電倍率下環境溫度對電池組散熱的性能影響。仿真時，模擬電池模組六個面與空氣之間的換熱過程，不同空氣流速下的表面換熱系數[12]如表3所示。

表3 電池模組各表面的換熱系數

2 結果與討論

2.1 EG 質量分數對CPCM 散熱性能影響分析

在環境溫度為32 ℃時，采用不同質量分數膨脹石墨CPCM 時，電池組分別以2C、3C及4C放電，結束時得到的仿真結果如表4 所示。電池模組4C放電的溫度分布云圖如圖2 所示，模組最高溫度、單體電池間最大溫差及CPCM 液相率隨放電倍率的變化情況如圖3 所示。

圖3 EG質量分數對電池模組的最高溫度、最大溫差及CPCM液相率的影響

表4 放電結束時仿真實驗結果

圖2 不同EG 質量分數電池模組4 C放電溫度云圖

由圖3 可知，當EG 質量分數不同時，電池模組4C放電的最高溫度和液相率明顯大于3C和2C放電，且隨著EG 質量分數的增加，電池組最高溫度呈現先降后升的趨勢，液相率呈現持續上升趨勢。3C放電時，PCM 冷卻電池模組的最高溫度上升至48.573 ℃，最大溫差增加至1.797 ℃，液相率也增加到31.08%；EG 的質量分數為12%時，電池模組的最高溫度和最大溫差同時達到最小值，分別為44.843 和0.783 ℃，此時的液相率為48.81%；EG 的質量分數為30%時，電池模組的最高溫度及最大溫差達到最大值，分別為49.679 和5.613 ℃，液相率為84.72%，CPCM 接近完全融化，不滿足散熱要求。4C放電時，EG 質量分數為12%時，電池模組的最高溫度和最大溫差同時達到最小值，分別為47.093 和2.632 ℃，液相率為77.95%，滿足散熱要求，溫度分布云圖如圖2(a)所示；當EG 質量分數增加到20%時，液相率為94.61%，從溫度分布云圖[圖2(b)]能夠看出電池模組中間部分的相變材料已經完全融化，處于相變散熱失效狀態，散熱性能降低，中心電池溫度急劇上升高達57.474 ℃，而模組邊緣的相變材料還未融化，相變材料仍然保持較好的散熱性能，可快速將電池組周邊熱量導出。由于電池模組中間位置和周邊位置相變材料散熱性能差異，導致溫差急劇上升至13.777 ℃；當EG 質量分數上升至30%，溫度分布云圖[圖2(c)]顯示相變材料已經完全融化，處于完全失效狀態，電池組最高溫度急劇上升，高達70.111 ℃，此時，電池組各處的相變材料散熱能力變得接近，所以電池組溫差下降至4.836 ℃。

通過上述分析可知：選用12%膨脹石墨CPCM 散熱效果最佳。電池4C放電條件下，CPCM 的液相率為77.95%，液相率較高，為了進一步提高模組的散熱性能，降低CPCM 的液相率，應結合強制風冷方式。

2.2 空氣流速對電池組充放電循環散熱性能的影響

選擇EG 的質量分數為12%的CPCM 熱管理系統進行仿真，設定環境溫度為32 ℃，充放電條件為連續兩周期1C充電/3C放電循環，當空氣流速分別為0、1、3 和5 m/s 時研究CPCM 強制風冷電池熱管理系統的散熱性能。

仿真得到的不同空氣流速下電池組最高溫度、最大溫差及液相率變化曲線如圖4 所示，隨著空氣流速的增加，電池模組最高溫度及液相率減小。當空氣流速為0 m/s 時，在一次充放電循環結束時，電池模組的最高溫度高達86.963 ℃，溫差為8.478 ℃，CPCM 完全融化；空氣流速為1 m/s 時，一次充放電結束時，電池模組的最高溫度為52.371 ℃，溫差為8.399 ℃，液相率為73.36%，相比空氣流速為0 m/s 時，電池模組的最高溫度、最大溫差及液相率都有所減小。當空氣流速為3 m/s，兩次充放電結束之后，電池模組的最高溫度為44.735 ℃，溫差為1.086 ℃，液相率為48.64%，與1 m/s 時兩次充放電結束相比，電池模組的最高溫度、最大溫差以及液相率明顯減小，并且在充放電的不同時刻電池模組的最高溫度小于50 ℃，溫差小于5 ℃，滿足散熱要求。空氣流速為5 m/s時，在兩次充放電循環結束時，電池模組的最高溫度為44.614 ℃，溫差為2.965 ℃，液相率為30.15%，在充放電過程中雖然能將電池模組的最高溫度一直控制在50 ℃以下，但是在第二次充電過程中，電池模組的最大溫差大于5 ℃，不滿足散熱要求。

圖4 不同空氣流速下電池組最高溫度、最大溫差及液相率變化曲線圖

由以上分析可知，當空氣流速較小時，在第一次充放電循環結束時，CPCM 材料完全融化，電池的最高溫度超過50 ℃；當空氣流速增加至3 m/s 時，電池模組在兩次充放電循環過程中最高溫度及溫差始終在合適的工作范圍內；而空氣流速升至5 m/s 時，電池模組的最大溫差大于5 ℃。

2.3 環境溫度對電池組散熱性能的影響

在空氣流速為3 m/s、EG 的質量分數為12%的條件下，在2C、3C和4C放電倍率下，環境溫度對電池模組最高溫度、最大溫差及CPCM 液相率的影響曲線如圖5 所示。

由圖5 可知，電池模組的最高溫度及液相率隨著環境溫度和放電倍率的增加而增加。當電池模組2C放電時，環境溫度從27 ℃增加到37 ℃，電池的最高溫度增加，液相率增加，溫差減小，當環境溫度為27 ℃時，電池模組的最大溫差高于32 和37 ℃，為2.917 ℃；環境溫度為37 ℃時電池模組最高溫度為44.266 ℃，液相率為32.45%，高于27 和32 ℃。電池3C放電、環境溫度為37 ℃時，電池模組的最高溫度及液相率高于32和27 ℃，為44.879 ℃和53.14%，溫差為0.849 ℃。電池模組4C放電時，環境溫度從27 ℃增加到37 ℃時，電池模組的最高溫度、最大溫差、液相率隨之增加，當環境溫度到達37 ℃時，電池模組的最高溫度為49.208 ℃，最大溫差為4.745 ℃，液相率為81.49%，模組可以滿足散熱要求。

圖5 環境溫度對電池模組最高溫度、最大溫差及CPCM 液相率的影響

通過上述分析可知：當電池模組4C放電時，其最高溫度、最大溫差、液相率都隨環境溫度的增大而增大，并且在較高環境溫度、4C大電流放電條件下，該熱管理系統仍能將電池模組的最高溫度及最大溫差控制在適宜的工作范圍內。

3 結論

本文研究了膨脹石墨CPCM 的質量分數、充放電循環及環境溫度對電池模組最高溫度、溫差及CPCM 液相率的影響規律。當環境溫度為32 ℃、4C放電時，EG 質量分數為6%～12%滿足散熱要求，當EG 的質量分數為12%時，電池模組的最高溫度及溫差同時達到最低值，散熱效果最佳。當環境溫度為32 ℃，對電池模組進行連續1C充電/3C放電充放電循環時，在兩次充放電循環過程中，空氣流速為3 m/s 時，每一個時刻都能將電池模組的最高溫度及溫差控制在合適的工作范圍內。對于12%膨脹石墨CPCM，當空氣流速為3 m/s，在環境溫度37 ℃、4C放電條件下，該散熱系統能將電池模組的最高溫度控制在50 ℃以內，溫差控制在5 ℃以下。