基于PCM-液冷復合的鋰離子電池熱管理研究

楊梓堙，竺玉強，王亞平，栗歡歡

(1.江蘇大學汽車工程研究院，江蘇鎮江 212013；2.凱博能源科技有限公司，江蘇 常州 213000；3.江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇鎮江 212013)

鋰離子電池由于具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長以及自放電率低等顯著特點，成為電動車電池的首選[1]。但是鋰離子電池在充放電過程中會產生大量的熱量，而一旦熱量積累到一定程度就會導致電池發生熱失控，進而危及安全[2]。因此，設計一個可靠高效的電池熱管理系統(BTMS)對電池的溫度進行控制至關重要。電池熱管理系統要求能保證在充放電時電池組的最高溫度不超過50 ℃，最大溫差不大于5 ℃[3]。

目前，BTMS 冷卻方式主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料(PCM)冷卻和熱管冷卻[4]。但風冷和液冷需要風扇及水泵等額外的耗能部件，增加了電池的能量消耗，降低了電池的續航性[5]，這對電動車而言是非常不利的。而PCM 冷卻方式結構簡單、成本低廉、相變潛熱大以及不需要消耗額外的動力源，這些是其他冷卻方式不能比擬的[6]。有很多研究[7-9]證明了PCM 冷卻系統可以很有效地降低電池組的最高溫度，且提高了電池組溫度一致性。

PCM 雖然具備其他熱管理系統所沒有的優勢，但都是建立在PCM 可以吸收足夠熱量基礎上的，一旦PCM 吸收的熱量超過其承受范圍，PCM 就會完全熔化，相變潛熱降為0，使其失去了溫控能力。而由于液冷可以迅速實現電池降溫的優勢，所以通過將PCM 和液冷相結合來提高熱管理系統的散熱能力，滿足電池即使在極端工況下工作，也能保持在適宜工作溫度范圍下工作。

本文建立了鋰離子電池3D 電化學-熱耦合模型，在電池單體模型的基礎上，建立了電池模組熱管理模型。針對PCM和液冷的特征，提出了將PCM 與液冷耦合的熱管理方案以提高散熱能力，并對比了在自然對流冷卻、單一PCM 和PCM 結合液冷幾種方案的散熱效果，證明所提出的PCM 結合液冷熱管理方案的優越性，為電池模組熱管理系統設計提供一定的參考價值。

1 模型描述

相比于傳統的一維和二維電化學模型[10-11]，三維電化學模型充分考慮了邊緣對電池長度和高度的影響，更能展現電池內部的細節，得到更準確的溫度分布。因此在COMSOL 中建立了一種耦合了三維電化學模型和三維熱模型的三維電化學-熱耦合模型來模擬電池組的傳熱過程，其平均耦合示意圖見圖1。

圖1 三維電化學-熱耦合模型

1.1 電化學模型

電化學模型采用的是Doyle 等提出的P2D 模型[12]，以濃溶液理論和多孔電極理論為基礎，建立了包含質量守恒原理、電荷守恒原理和電極動力學的模型。電化學模塊由正/負極、隔膜、正/負極、集流體五部分組成。表1 列出了電化學模型的控制方程和邊界條件設置，這些方程在其他文獻[13-14]中都有解釋，此處就不再累贅。

表1 電化學模型的控制方程和邊界條件設置[13-14]

1.2 熱模型

熱模型描述了電池產熱、傳熱以及散熱之間的關系，其能量守恒控制方程[15]為：

式中：ρ 為密度(kg/m3)；cp為比熱容[J/(kg·K)]；T為某點的溫度(K)；λ 為各方向的導熱系數[W/(m·K)]；q為總產熱速率(W/m3)，總產熱速率包括反應熱qre、歐姆熱qohm、極化熱qact以及熱耗散率qexch。

其中：

式中：h為傳熱系數[W/(m2·K)]，取值為7；d為極片厚度(m)；T為電池溫度(K)；Tam為外部環境溫度(K)。

2 模型驗證

本文研究的對象為一款50 Ah 三元鋰離子電池，正極材料為鎳鈷錳(NCM,LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)，負極材料為石墨。對單體電池進行不同倍率下的放電測試，并采集電池表面中心處的溫度，同樣在模型相同的位置點采集表面溫度，其相關實物及模型圖如圖2 所示。電池有限元建模時的相關參數如表2 所示。

表2 電池模型相關參數

圖2 (a)樣品電池實物圖；(b)三維模型圖；(c)網格劃分圖

為驗證模型的有效性，對單體電池進行恒流放電測試，并將所得電壓和溫度與仿真數據對比驗證分析。在恒溫箱控溫的三個溫度(283.15、298.15 和308.15 K)下，進行了三個倍率(0.5C、1.0C和1.5C)的放電實驗。同理，在仿真軟件中也設置相同的測試條件。將仿真與實驗結果進行比較，其仿真曲線與實驗曲線對比見圖3。

由圖3 可知，不同放電倍率和不同環境溫度下電池溫升的仿真曲線與實驗曲線吻合較好。其中放電電壓最大誤差小于5%，電池溫差的最大值也小于2 K，驗證了模型的有效性[16]。因此，該模型可以用來研究電池在充放電過程中的熱特性。

圖3 電池放電電壓和溫度的仿真與實驗對比

3 電池模組熱特性分析

本文研究的電池模組由六個單體電池串聯而成，電池間距為4 mm，如圖4(a)所示。研究分析模組在298.15 K 的環境溫度下進行不同倍率放電時的溫度變化情況，并且對比分析加入PCM 后模組的散熱效果及溫度一致性。電池中間、前后都填充4 mm 厚度的PCM，以及電池兩側也填充了8 mm 厚度PCM，PCM 高度與電池一致，其俯視圖如圖4(b)所示。由于電池組的對稱性原因，這里選取了1 號電池外側底部作為最低溫度采集點，選取靠近3 號電池的4 號電池那一表面中心點為最高溫度采集點，其兩者溫度相減作為模組的最大溫差。

3.1 自然對流冷卻電池模組的溫度分析

在298.15 K 環境溫度下，對電池進行三個放電倍率(0.5C、1.0C和1.5C)放電，研究電池組溫度隨時間的變化。圖4(c)、(d)分別為在空氣自然對流冷卻下電池組的最大溫度和最大溫差。從圖中可以看出，電池組最高溫度和最大溫差有相同的變化趨勢，都隨著放電倍率的增大而明顯上升，在放電結束時，電池組的最高溫度和最大溫差達到最大值。0.5C時的電池組溫度和溫差最小，1.5C的電池組溫度和溫差值最大。在1.5C放電結束時，其最大溫度達到了327.82 K，最大溫差為2.89 K，但電池組的最大溫度已經超過適宜工作溫度范圍，如果在這種溫度環境下長期工作的話，電池性能會受到影響，甚至導致電池熱失控，進而危及安全。因此，需要一個熱管理系統來降低電池組的溫度，保持電池組能在適宜的溫度下工作。

圖4 電池模塊及模組溫度曲線

3.2 PCM 對電池模組散熱效果的影響

PCM 由于具有較高的潛熱特性，所以能很好應用于動力電池熱管理系統進行被動冷卻。而PCM 的選擇應滿足電池組最高溫度與最大溫差的基本要求，因此PCM 的相變溫度最好選擇為40～45 ℃溫度范圍[17-18]。石蠟由于具有高相變潛熱、安全、無毒及化學性能穩定等特性，所以經常被應用于電池熱管理研究之中。但石蠟由于其導熱系數低，難以及時吸收電池充放電時產生的熱量，因此需要提高石蠟的導熱能力，普遍的做法是添加高導熱率的材料，如碳材料、金屬材料和納米材料等。石蠟中添加高導熱性材料形成復合PCM，復合PCM 直接與電池發熱面接觸，吸收電池的產熱量。本文選用的復合PCM 的熱物性參數如表3 所示[19]。

表3 復合PCM 的熱物性參數[19]

圖5 為電池組在空氣自然對流冷卻和PCM 冷卻兩種情況下的最高溫度和最大溫差。表4 為兩種冷卻方案的最高溫度與最大溫差的數值對比。由圖表可知，采用PCM 冷卻方案能夠明顯降低電池組最高溫度和最大溫差。在1.5C高倍率放電結束時，電池組最高溫度從327.82 K 降到315.08 K，最大溫差從2.89 K 降到1.31 K，其最高溫度降了12.74 K，最大溫差降了1.58 K，提高了電池組的溫度一致性。這表明PCM 溫控效果好，能夠使電池維持在合適溫度下工作，提高了電池的安全性。

表4 自然冷卻與PCM 冷卻的數據對比 K

圖5 自然對流冷卻與PCM 冷卻的溫度對比

3.3 PCM 結合液冷對電池模組散熱效果的影響

上述研究表明，在一個放電工況下使用復合PCM 進行電池熱管理時，可以很有效地控制電池的溫度，保持電池組溫度的一致性。但當電池需要進行多次充放電循環時，單單采用被動冷卻系統是滿足不了電池散熱需求的。為了解決上述問題，將PCM 與液冷方式相結合形成主被動式電池熱管理體系，并研究其在循環充放電工況下的散熱效果，本文研究的循環工況為：1.5C放電-1C充電-1.5C放電。

由于不需要考慮液冷管與電池接觸帶來的復雜管路設計問題，本文保留系統簡單的液冷結構，在電池左右側PCM中分別加了5 根半徑為2 mm 的等距離圓形口液冷管，管道通過厚度0.5 mm 的鋁制材料將冷卻液和PCM 分開，如圖6(a)所示。為研究冷卻液進出口位置對電池模組散熱效果的影響，設計了三種進出口方案：方案一為左右側進出口方向相同；方案二為左右側進出口方向相反；方案三為左右側進出口方向交錯。冷卻液進出口位置不同的結構如圖6(b)～(d)所示。本文選用液態水作為冷卻液，冷卻液入口處流量為1×10-3kg/s，冷卻液入口溫度為298.15 K。

圖6(e)、(f)為電池組在單一PCM 冷卻和PCM 結合液冷三種方案冷卻的四種情況下電池組的最高溫度和最大溫差。由圖6(e)可知，僅有PCM 冷卻時，電池組在第二次放電時溫度迅速上升，說明這時PCM 的相變潛熱降為0，失去了溫控能力；而結合PCM 和液冷進行冷卻時，即使在充放電循環結束時電池組的最高溫度也能維持在315 K 以下，滿足電池熱管理系統的要求。雖然加入液冷管后，電池組的最高溫度得到很好的控制，但由圖6(f)可以看出，電池組的最大溫差卻變大了，充放電循環結束時方案一最大溫差(7.30 K)和方案二最大溫差(5.98 K)都超過了5 ℃，但方案三最大溫差(4.19 K)還在5 ℃之內。圖7 為充放電循環結束時電池組沿高度方向中部截面的溫度分布圖，由圖我們可以很直觀地看到方案三冷卻時電池組溫度一致性更好。PCM 耦合液冷的三種方案中，雖然方案二模組的最高溫度最小，但其最大溫差超過了5 ℃；而方案三模組的最高溫度(314.52 K)比方案二最高溫度(313.93 K)僅僅高出0.59 K，且其最大溫差最小，滿足電池熱管理系統要求的5 ℃之內。

圖6 液冷結構及模組溫度曲線

圖7 充放電循環結束時電池組中部截面的溫度分布圖

通過對上述研究結果分析，可以得出：本文提出的一種PCM 結合液冷的冷卻方式可以有效地帶走電池組的產熱，其中方案三結構最優，使電池組可以維持在合適溫度范圍下工作，且電池組的溫度均勻性好。

4 結論

本文以方形三元鋰離子電池為研究對象，建立了3D 電化學-熱耦合模型，并進行了實驗驗證，結果表明該模型具有很好的估算精度和魯棒性。在此基礎上建立了電池模組，研究分析電池模組在自然對流冷卻、PCM 冷卻以及PCM-液冷復合冷卻的冷卻方式下的熱特性，并比較分析冷卻液的三種進出口方案對模組散熱效果的影響。結果表明：自然對流冷卻電池模組溫升最大，1.5C放電結束時最高溫度(327.82 K)超過50 ℃；單一PCM 冷卻能使電池組在第一次放電工況下可以很有效地控制電池組溫升，但對于充放電循環工況下，PCM 就失去其有效的控溫功能；PCM-液冷復合熱管理方案使電池模組在充放電循環工況下也可以很有效地控制電池組溫升，使電池工作溫度維持在最佳范圍內，其中方案三結構最優，整個充放電循環過程中電池組的最高溫度和最大溫差可控制在50 和5 ℃以內，為電池熱管理設計提供一定參考。