基于液冷與相變材料的復(fù)合動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池；復(fù)合冷卻；Ansys;PCM；液冷中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.006文章編號(hào)：1003-5168（2025）13-0033-05

Design of Cooling System for Composite Power Battery Based on Liquid Cooling and Phase Change Materials

JIA Mingzheng (Huanghe Jiaotong University，Jiaozuo 454950， China)

Abstract: [Purposes] To better control the power battery temperature and improve the temperature uniformity of the battery module，this study designs a composite power battery cooling system composed of liquid cooling and phase change materials.[Methods] By adding phase change materials between the batteries in the liquid cooling system battery module，the cooling efect can be improved.Meanwhile，Ansys was used to analyze the influence of diffrent factors on the cooling system of the composite power battery.[Findings] The results indicate that compared to standalone liquid cooling and PCM-only cooling systems，the composite power battry cooling system composed of liquid cooling and PCM can better control the maximum temperature，minimum temperature，and temperature difference of the power battery module.The maximum temperature of the power batery increases with the cooling water flow rate in the cooling plate，with a gradually diminishing rate of increase.Since the liquid phase ratio of PCM between power batteries increases with PCM thickness at the same discharge rate，the maximum temperature of the power battery module decreases with increasing of PCM thickness，but there is an optimal range for

PCM thickness.[Conclusions] The research results can provide reference for the design of multimechanism coupled power battery cooling systems.

Keywords: power battery; composite cooling; Ansys; PCM; liquid cooling

0 引言

大力推進(jìn)新能源汽車發(fā)展是我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的有力保障，同時(shí)也是應(yīng)對全球氣候危機(jī)的有效途徑之一。作為新能源汽車主要能量來源，動(dòng)力電池性能的好壞直接影響著新能源汽車的續(xù)駛里程和安全性。溫度是影響動(dòng)力電池性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，為使動(dòng)力電池在最佳的溫度范圍內(nèi)發(fā)揮性能，需對動(dòng)力電池進(jìn)行熱管理控制。

動(dòng)力電池主要通過風(fēng)冷、液冷、浸沒式冷卻、相變材料(PCM)冷卻等方式，使自身溫度維持在合適的范圍內(nèi)。但是傳統(tǒng)單一的冷卻方式在控制動(dòng)力電池溫差等方面存在缺點(diǎn)。隨著新能源汽車動(dòng)力電池不斷向高能量密度、高集成度方向發(fā)展，多方式組成的動(dòng)力電池復(fù)合冷卻系統(tǒng)能通過互補(bǔ)的方式更好地控制動(dòng)力電池溫度及電池模組的溫度均勻性。

朱先宇等建立了石蠟-膨脹石墨復(fù)合相變材料與丙酮混合物的微槽平板熱管組成的復(fù)合熱管理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對其性能進(jìn)行研究。許智等[2利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與非支配排序遺傳算法結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化方法，對相變材料與液冷耦合的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。陳凱盛等3建立了一種半導(dǎo)體制冷和相變材料耦合的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并通過數(shù)值模擬對其進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷片在高電流下，制冷效果突出，但存在電池內(nèi)部溫差大、PCM短時(shí)間失效等問題，低電流時(shí)可以取得良好的散熱效果。

本研究在由雙流道冷卻板4組成的動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加相變材料(PCM)，構(gòu)成液冷和PCM組成的復(fù)合動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)，并通過Ansys對該冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1動(dòng)力電池模組的模型建立

1.1動(dòng)力電池模組結(jié)構(gòu)

圖1為動(dòng)力電池模組，該模組主要由6塊單體鋰離子電池、2塊冷卻板及PCM構(gòu)成，電池與電池之間填充PCM，電池組兩側(cè)為雙流道冷卻板，冷卻板材料為鋁，圖2為雙流道冷卻板結(jié)構(gòu)圖。由于本文主要對液冷與PCM組成的復(fù)合動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的冷卻性能進(jìn)行研究，將單體電池簡化為長 148mm 寬 27mm /高 97mm 的長方體。本文所使用的動(dòng)力電池、PCM、冷卻水和鋁的物性參數(shù)見表1。

1.2 數(shù)值模擬

為簡化復(fù)合冷卻系統(tǒng)的仿真分析，進(jìn)行以下假設(shè)： ① 動(dòng)力電池內(nèi)部各種材料屬性恒定，產(chǎn)熱量主要來源為焦耳熱； ② 動(dòng)力電池放電時(shí)均勻發(fā)熱； ③ 水和鋁的熱物性不受溫度影響； ④PCM 的固、液相均質(zhì)且各向同性； ⑤ 不考慮輻射傳熱； ⑥ 冷卻水為不可壓縮流體。

基于以上假設(shè)，本研究所采用的Ansys模型控制方程如下。

動(dòng)力電池生熱速率根據(jù)Brenardi等[5提出的生熱模型進(jìn)行計(jì)算，見式（1)。

式中： V_b，I，U₀，U，T 分別為單體電池體積、充放電電流、開路電壓、負(fù)載電壓及電池溫度。

電池產(chǎn)生的熱量一部分先被PCM吸收，然后被冷卻板中的冷卻水帶走。其偏微分方程見式(2）、式(3)。

式中 :ρ_p、H_p、L_p、C_p、T_p、λ_p、β 分別為PCM的密 度、焓、潛熱、比熱容、實(shí)時(shí)溫度、導(dǎo)熱系數(shù)及液相

率； 為顯熱焓， T₀ 為環(huán)境溫度。

冷板中的控制方程見式(4）式(5）式(6)。

式中： 和 λ_w 分別為冷卻水的密度、流速、壓強(qiáng)、比熱容、溫度及導(dǎo)熱系數(shù)。

1.3初始條件和邊界條件

① 系統(tǒng)初始溫度和環(huán)境溫度均為 303.15K 。

② 熱源：單體電池為固體發(fā)熱源，經(jīng)計(jì)算得動(dòng)力電池以3C倍率放電的產(chǎn)熱率為q=40592W?m^-3 。

③ 冷卻水流速設(shè)置為 0.2m/s ，經(jīng)計(jì)算雷諾數(shù)Re?2300 ，冷卻水入口溫度設(shè)置為 30^°C 售

④ 系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的換熱系數(shù)為3W/(m?K) 。

2仿真結(jié)果分析

本研究使用CFD-POST對仿真結(jié)果進(jìn)行處理后，得到不同冷卻方式、冷卻板及PCM厚度對動(dòng)力電池模組冷卻效果的影響結(jié)果。

2.1不同冷卻方式的冷卻效果分析

不同冷卻方式的動(dòng)力電池模組的最高溫度變化如圖3所示。液冷、PCM冷卻、液冷 +PCM 復(fù)合冷卻等3種冷卻方式中動(dòng)力電池模組的初始溫度均為303.15K，最高溫度隨時(shí)間逐漸升高。200s之前3種冷卻方式下，動(dòng)力電池模組最高溫度的溫升速率相差不大，200s之后液冷和液冷 +PCM 復(fù)合冷卻方式下動(dòng)力電池模組最高溫度的溫升速率明顯低于PCM冷卻條件下。放電終了，PCM冷卻方式下，動(dòng)力電池模組最高溫度達(dá)到316.7K；液冷方式下，動(dòng)力電池模組最高溫度達(dá)到309.7K；液冷 +PCM 復(fù)合冷卻方式下，動(dòng)力電池模組最高溫度達(dá)到 308.9K 。

可以發(fā)現(xiàn)液冷和液冷 +PCM 冷卻方式下，動(dòng)力電池模組最高溫度差別為 0.8K ，與純PCM冷卻方式下動(dòng)力電池模組最高溫度相差較大。

不同冷卻方式的動(dòng)力電池模組的最低溫度變化如圖4所示。在PCM冷卻方式下，由于PCM的相變溫度在 304.15～309.15K，260 s時(shí)動(dòng)力電池模組最低溫度達(dá)到這一數(shù)值，PCM開始融化。在PCM融化過程中，動(dòng)力電池模組的溫度幾乎不變，維持在 306.5～307K 。趨近，動(dòng)力電池模組最低溫度的溫升速率開始減小。液冷 +PCM 復(fù)合冷卻中，動(dòng)力電池模組最高溫度隨時(shí)間的變化趨勢和液冷方式下的相似。但相比于另外兩種冷卻方式，液冷+PCM 復(fù)合冷卻方式放電終了時(shí)動(dòng)力電池模組的最低溫度最低，為 305.19K 。

動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)不僅需要使動(dòng)力電池的溫度維持在合適的范圍內(nèi)，還需要盡可能減少動(dòng)力電池組的溫差，動(dòng)力電池的溫差同樣受冷卻方式的影響。不同冷卻方式下動(dòng)力電池模組的溫差隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。三種冷卻方式下，動(dòng)力電池模組的溫差均隨時(shí)間推移而逐漸增加。其中，采用PCM冷卻的動(dòng)力電池模組的溫差在370s前小于其他兩種冷卻方式。液冷和液冷 +PCM 復(fù)合冷卻方式下的動(dòng)力電池模組的溫差隨時(shí)間推移而增大，斜率逐漸減小。動(dòng)力電池模組放電結(jié)束時(shí)，液冷+PCM 冷卻的溫差最小，為 3.75K 。

2.2兩冷卻板對復(fù)合冷卻效果的影響

為了進(jìn)一步探究動(dòng)力電池模組兩側(cè)冷卻板對液冷 +PCM 復(fù)合冷卻方式冷卻效果的影響，在PCM厚度為 10mm 條件下，研究不同冷卻液流速、兩冷卻板中冷卻液順流逆流對動(dòng)力電池模組溫度的影響。放電結(jié)束時(shí)，冷卻水流速對動(dòng)力電池模組溫度的影響如圖6所示。動(dòng)力電池模組最高溫度隨冷卻液流速的增大逐漸減小，減小速率也是隨著冷卻液流速的增大而減小，這主要是由于冷卻液流速越大，冷卻液在單位時(shí)間內(nèi)所能吸收的熱量越多，動(dòng)力電池產(chǎn)熱量和冷卻液吸熱量越趨近于平衡。當(dāng)冷卻液流速大于 0.2m/s 后，動(dòng)力電池模組最高溫度變化很小，主要是由于動(dòng)力電池放熱量和冷卻液吸熱量逐漸向平衡趨近。

冷卻液順流、逆流對動(dòng)力電池模組溫度的影響如圖7所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力電池模組的最高溫度在冷卻液逆流情況下比順流更低，但由于動(dòng)力電池之間PCM的影響，兩種情況下的動(dòng)力電池最高溫度的差別不大，僅為 0.06K O

2.3 不同PCM厚度對冷卻效果的影響

在液冷 +PCM 復(fù)合冷卻基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究PCM厚度對放電過程中動(dòng)力電池模組溫度的影響，PCM厚度分別取 2mm?4mm?6mm?8mm?10mm 0仿真結(jié)果如圖8及圖7(a)所示，不同PCM厚度相變過程中的液相率如圖9所示。放電過程中動(dòng)力電池模組最高溫度和最低溫度隨PCM厚度的增加而增加，PCM厚度為 10mm 時(shí)，僅有少量PCM融化，放電終了時(shí)刻，液相率為0.24，相變潛熱的利用率比較低；而PCM厚度為 2mm 時(shí)，PCM幾乎全部融化，液相率達(dá)到0.89，對動(dòng)力電池溫度的控制減小；因此PCM厚度為 4mm，6mm，8mm 更為合適。

3結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了液冷和PCM組成的復(fù)合動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)，運(yùn)用Ansys仿真分析軟件，在3C放電倍率下，比較了不同條件下復(fù)合冷卻方式對動(dòng)力電池模組溫度的影響，得到以下結(jié)論。

① 相比于液冷和PCM單獨(dú)冷卻，由液冷 +PCM 組成的復(fù)合冷卻系統(tǒng)可以更好地控制動(dòng)力電池的最高溫度、最低溫度及溫差。

② 放電終了時(shí)刻，動(dòng)力電池模組的最高溫度隨冷卻板中冷卻液流速的增大而增大，但增大速率逐漸減小；冷卻液逆流比順流對溫度的控制效果更好，但差別較小，僅為 0.06K 。

③ 對于動(dòng)力電池間不同PCM厚度的復(fù)合冷卻系統(tǒng)，由于相同放電時(shí)間內(nèi)，PCM的液相率隨其厚度的增大而增大，動(dòng)力電池模組最高溫度隨著PCM厚度的增大而減小，但PCM厚度存在一個(gè)最優(yōu)范圍。

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