热管耦合相变材料全气候锂离子电池热管理系统性能分析

随着电力行业的发展和储能技术的革新，电能存储技术的研究备受关注。锂离子电池具有容量大、能量密度高、循环寿命长等优势，然而电池温度过高会导致电池寿命缩短、内部结构损坏，甚至发生热失控现象，电池温度过低则会引起内阻增大、容量衰减、充放电效率降低等不利问题，这已成为储能电站、新能源汽车、移动电源、通信基站等产业的共性问题。温度是制约锂离子电池性能的关键因素之一，为保障锂离子电池安全高效运行，电池最佳工作温度应维持在20~40℃之间，电池组最大温差（ΔTmax）应控制在 5℃之内。电池热管理技术能减弱环境温度对电池的影响，从而提高电池能量转换效率。2023 年 6 月 21 日，国家工信部提出要支持全气候电池热管理技术的攻关研究。因此，建立全气候条件下锂离子电池热管理系统（ Battery Thermal  Management System, BTMS）对于提高锂离子电池的安全性、经济性和耐用性至关重要。 

电池热管理系统主要包括预热和冷却两个方面，现有研究主要针对电池冷却进行系统设计与结构优化，根据冷却工质的不同可分为风冷、液冷、相变材料（Phase Change Material, PCM）冷却等。其中，相变材料得益于其显著的潜热特性，在 BTMS 中广泛应用。Zhao 等人选用正十八烷和正二十八烷进行了数值模拟和实验研究，结果表明，相变材料的应用可有效延缓电池温度升高，同时提高电池温度均一性。针对相变材料低导热特性的自身缺陷，研究人员通过引入金属翅片、添加高导热系数材料、采用热管和冷却通道等手段以提高其换热性能。Liu 等人研究了铝制翅片形状结构对相变材料电池热管理系统性能的影响，发现采用二次分叉结构翅片可显著降低电池的最高温度，翅片数量以及电池与翅片间的接触热阻同样会影响电池散热性能。沈雪阳团队以石蜡为相变基体，通过添加新型纳米材料 Mxene 制备了具有高导热系数的复合相变材料，并将其应用于电池热管理系统，极大地改善了锂离子电池组的散热性能。Wang 等人设计了一种石蜡耦合热管的紧凑型电池冷却系统，该系统在 25℃环境、2C 放电倍率工况下可将 18650 型电池组的最高温度控制在 47.7℃、最大温差控制在 2.5℃。Xin 等人对复合相变材料、铝制热扩散板耦合复合相变材料、平板型热管耦合复合相变材料三种电池热管理方案进行了对比，发现第三 种方法在控制电池温升和温度均一性方面均优于前两种。然而，在高环境温度和高放电倍率工况 下，第三种方法仍须结合液冷手段才能满足电池组的散热需求。 

预热是缓解电池在低温环境下功率和容量衰减的有效方法。Sasmito 等人利用相变材料（充分吸收、存储外界热量用于电池预热）和绝热材料有效缓解了低温环境下电池性能下降和冷启动问题。最近，Fang 等人提出了一种采用单一或双重过冷相变材料的锂电池新型预热手段，其应用可使 26650 型电池的运行时间分别延长 38.8min 和 42.8min。Wang 等人研究了全气候条件下基于石墨粉末的复合相变材料对磷酸铁锂电池的热管理效果，研究发现在-20℃环境下该复合相变材料能够使放电结束后的电池组在 40min 内保证其温度不低于 0℃。Cheng等人提出一种膨胀石墨/ 聚合物/石蜡复合相变材料全气候电池热管理结构，该结构可控制高温环境下的电池温度，且能提高-20℃环境下的电池升温速率。

目前锂离子电池冷却方面的研究较为完善，而兼顾同一系统冷却、预热、保温综合性能方面的分析则相对匮乏，不利于保障电池在全气候条件下的正常充放电性能。随着国家开展高安全全气候电池热管理技术攻关，本研究提出了一种新型锂离子电池热管理系统，利用相变材料的高潜热和热管的高导热特性以实现电池组的保温与散热一体化，针对不同环境温度和放电倍率提出相应的方案，使电池组在全气候下均能处于其最佳工作温度区间内，从而提高电池的工作性能。

1.1 物理模型 

本文提出的新型BTMS结构如图1所示，选取9节21700型柱状锂电池作为研究对象 ， 直径21mm，高度70mm，以3×3形式对称分布。为加大电池传热面积，采用8根热管，等距环绕式布置于电池外壁。电池与热管间的空隙采用n-octadecane 相变材料填充，用于吸收和存储电池自身产热，同时在相变材料内部插入导热板以强化传热。电池最外侧选用聚氨酯保温材料包裹，达到保温和防止相变材料泄露的目的，其厚度为d。在热管冷凝段设置双层冷却通道，通道间采用1mm厚的金属隔板隔开，每层通道高11mm，冷却工质在上、下层通道内反向流动以降低电池间的温差。为进 一步强化热管散热，在其冷凝段增设圆形翅片，直径为29mm，厚度为1mm，考虑到翅片之间的阻挡，故采用交错布置。表1给出了相变材料、电池、热管、保温材料的热物性参数。其中热管的导热系数根据集总热阻网络法得出，计算公式为：

式中，L为热管长度，A为热管截面积，do为 热管外壁直径，di为热管吸液芯直径，dv为蒸汽域直径，Leva为蒸发段长度，Lcond为冷凝段长度，kw 为管壁导热系数，kwick为热管吸液芯等效导热系数，kl为吸液芯内流体导热系数，ks为吸液芯内固体导热系数，为孔隙率。

1.2 控制方程

针对物理模型进行合理假设与简化：（1）电池为恒定热源且均匀发热；（2）忽略内部热辐射以及各组件间的接触热阻；（3）相变材料为不可压缩牛顿流体，其密度变化遵循Boussinesq假设 。 

固体部件（热管、电池、圆形翅片等）控制方程：

式中，ρ、cp、k 分别为对应部件的密度、比热、导热系数；T 为相应部件温度；q 表示电池体积热源（1C 放电倍率下，q=30955.5W/m3）。

基于焓-孔隙法的相变材料控制方程：

式中，ρPCM为 PCM 密度，cpPCM为 PCM 比热容，PCM 为 PCM 动力粘度，kPCM 为 PCM 导热系数，PCM 为 PCM 热膨胀系数，为速度矢量， 为重力加速度，L 为潜热，TPCM 为 PCM 实际温度，Ts、Tl 分别为 PCM 固相和液相温度，Tm 为 PCM 熔化温度，f 为 PCM 液相率，C 为糊状区域常数（C=105），为常数（=10-3）。 

冷却工质（空气或水）控制方程：

式中，ρc、cp,c、kc、c、c 为分别为冷却工质的密度、比热容、导热系数、动力粘度、热膨胀系数，Tc 为冷却工质温度，Tref 为参考温度（本文选取环境温度）。

1.3 控制方程初始条件和边界条件

除讨论初始温度的影响外，其余部分均假定模型初始温度和冷却工质进口温度等于环境温度。整个 BTMS 模型置于恒温环境中，保温材料与外界环境接触面为自然对流边界条件：

式中，ktim 为保温材料的导热系数，Tamb 为环境温度，hamb 为 自然对流传热系数 ， 取 5W/ （m·K）。

冷却通道与外界环境接触的壁面采用绝热边界条件，当通道内通入冷却工质时，入口采用速度边界条件，出口采用压力边界条件。模型内部各部件接触面均采用耦合边界。

2.1 数值方法 

本文采用 ANSYS Fluent 软件进行数值模拟：利用 Fluent Meshing 生成非结构化六面体网格；基于有限体积法（Finite Volume Method, FVM）对控制方程进行瞬态求解，压力场和速度场的解耦采用 SIMPLE 算法，动量和能量方程中的对流项和扩散项均采用二阶迎风格式离散，最终得到一系列不同变量的代数方程，并通过迭代法进行求解。连续性、动量和能量方程的收敛标准分别设定为 10-3、10-3、10-6；相变材料的熔化和凝固过程计算采用 melting/solidification 模型；冷却工质的流动选用层流或 k-epsilon 湍流模型。 

2.2 网格与时步无关性分析 

以放电结束时刻电池组的最高温度和相变材料的瞬态液相率作为评价指标，对网格数量和时间步长的敏感性进行了分析。0℃环境、2C 放电倍率工况下，图 2 和图 3 分别展示了不同网格数（139 万、241 万、279 万、390 万、599 万）和不同时间步长（0.5s、1s、2s、5s、10s）下的电池组最高温度（Tmax）和相变材料液相率。可见，当网格数大于 279 万、时间步长小于1s 时，电池组最高温度和相变材料液相率的变化均较为平缓。综合考虑计算精度与计算效率，后续研究选取 279 万的网格和 1s 的时间步长进行计算。

2.3 算例验证

图 4 给出了放电倍率为 2.5C、环境温度与初始温度均为 30℃时单体电池和电池组最高温度 （Tmax）随时间的变化曲线。由图可知，不同时刻下，当前数值计算结果与数据基本一致。本文计算结果单体电池实验和模拟结果相比，最大误差仅分别为 3.1%、2.9%，与电池组模拟结果对比，最大误差仅为 4.4%，因此本 文所采用的计算模型和数值方法是准确可靠的。

锂电池以高倍率放电时易导致寿命缩短和容量衰减，放电倍率通常应严格控制在 2C 以下。因此，本文主要分析新型 BTMS 在 0.5C、1C、2C 放电倍率下的保温与散热性能。 

3.1 低温环境下的保温性能分析 

鉴于我国冬季平均温度在 0℃上下波动，研究主要探讨 0℃环境下保温层厚度和初始温度对电池放电及保温过程的影响。为确保该 BTMS 在北方严寒地区仍具有适用性，进一步分析了其在-15℃ 环境下的保温性能。保温时长定义为放电结束时刻电池组的最低温度（Tmin）降至 20℃时所需时 长。 

3.1.1 保温层厚度的影响 

图 5 给出了 2C 放电倍率工况下具有不同保温层厚度（0~40mm）的电池组在放电结束时刻的最高温度和相变材料的液相率，以及放电结束后BTMS 所提供的保温时长。由于保温层能够减少电池组在低温环境下的热量散失，电池组最高温度和相变材料液相率随保温层厚度的增加而增加。当保温层厚度小于 20mm 时，保温层厚度对电池组最高温度和相变材料液相率影响较大；当其超过 20mm 时，两者数值趋于恒定，说明进一 步增加保温层厚度对电池温升和相变材料熔化几乎无影响。由图 5（b）可知，保温时长与保温层厚度层呈正相关渐近关系，即当保温层厚度达到 35mm 时，保温时长曲线趋于恒定，继续增加厚度至 40mm 时，保温时长仅提高 1.8%。综合考虑模型尺寸与保温性能，后续研究均选用 20mm 保温层厚度进行分析。

3.1.2 初始温度的影响 

初始温度可通过电池自身充电产热或外部加热方式获得，本文拟选取三个代表性温度进行对比分析，即环境温度（0℃）、低于相变材料熔化温度（20℃）、高于相变材料熔化温度（30℃）。

图 6 给出了不同初始温度下放电结束时刻电池组最高温度和相变材料液相率。由于初始温度会影响相变材料的储热能力，故初始温度越高，电池组最高温度和相变材料液相率越高。液相率越高，存储热量越多，越有利于在低温环境中延缓电池温度降低。在 0.5C 工况下，当初始温度低于 20℃时，相变材料因电池放电过程中产热量过少而无法熔化；当初始温度增至 30℃时，相变材料潜热全部利用，且电池组最高温度始终维持在最佳工作温度范围内。在 2C 工况下，即使初始温度为 0℃，相变材料也能部分熔化，液相率为 0.51；当初始温度为 20℃时，利用电池自身产热可将相变材料液相率提升至 0.98；继续升高初始温度至 30℃，电池组最高温度将达到 74.95℃，超出安全限值。可见，在 2C 放电倍率工况下，初始温度为 20℃和 30℃时可获得相近的相变材料利用效率，但后者会引发电池严重超温，不宜采用。在 1C 工况下，初始温度提高至 20℃时可使相变材料部分熔化，液相率较低，仅为 0.36，此时电池产热量低于相变材料潜热值，潜热所吸收的部分热量需通过提高初始温度来获得。当初始温度达到 30℃时，相变材料全部熔化，但电池组最高温度达到 48.55℃，超出最佳工作温度上限，须通风辅助散热，将造成额外能量损耗。因此，在 1C 工况下，初始温度需在 20~30℃之间进一步取值分析。图 7 给出了 1C 放电倍率工况下具有不同初始温度（25℃~29℃）电池组在放电结束时刻的最高 温度和相变材料液相率。当初始温度低于 28℃ 时，相变材料的液相率低于 0.95，未完全利用；当初始温度增至 28.5℃时，相变材料全部熔化，且电池组最高温度为 36.77℃，此时初始温度和电 池产热提供热量的比例适宜；当初始温度增至 29℃时，电池组最高温度超温，达到 44.83℃，不宜采用。 

在实际应用中，根据放电倍率来设定初始温度，能获得最有利的保温效果。根据以上分析，综合考虑电池组最高温度、相变材料利用效率、 能量消耗等因素，当电池分别以 0.5C、1C、2C 放电时，建议选取 30℃、28.5℃、20℃作为对应放电倍率下的最佳初始温度。此时，电池放电结束 后，熔化状态的相变材料利用潜热存储的热量为电池保温提供热源，使电池组最低温度在 11.54h （0.5C）、12.26h（1C）、11.79h（2C）内不会低于20，缓解了低温下电池容量衰减和使用寿命缩短等问题。

3.1.3 -15℃环境下的保温性能 

基于上述最优保温层厚度和初始温度，表 2 给出了放电结束时刻的电池组最高温度、相变材料液相率以及放电结束后 BTMS 所提供的保温时长。由表可知，三种放电倍率下电池组最高温度均低于其最佳工作温度区间的上限值，且相变材料熔化程度高，电池组最低温度在长达 6.96h （0.5C）、7.73h（1C）、7.47h（2C）后才会低于其最佳工作温度区间的下限值，说明 0℃环境下选取的保温层厚度和初始温度也可应用于-15℃严寒环境，并为电池提供良好的保温效果。

3.2 常温环境下的散热性能分析

图 8 给出了常温环境（25℃）、2C 放电倍率工况下，无 PCM、采用 PCM、采用 PCM 结合 2m/s 通风冷却三种方案的电池组温度分布。由图可知，采用 PCM 能够使电池组最高温度降低 41.94℃，若进一步结合 2m/s 风冷，可继续降低 9.01℃，使电池组最高温度最终维持在 33.57℃， 且其最大温差（ΔTmax）控制在 4.24℃，说明采用相变材料与通风冷却相结合的手段可满足电池组在常温环境、2C 放电倍率工况下的散热需求。

图 9 进一步给出了不同放电倍率下电池组最高温度和相变材料液相率随时间的变化曲线。由图可知，放电倍率越大，电池温升速率越快、相变材料液相率越高。在 0.5C 和 1C 工况下，电池组最高温度分别为 28.01℃和 29.58℃，电池组最大温差分别为 0.26℃和 1.03℃，PCM 液相率分别为 0.25 和 0.60。可见，仅采用相变材料就可将电池温度控制在最佳工作温度范围内，即满足电池组在常温环境、中低放电倍率工况下的散热需求。

3.3 高温环境下的散热性能分析

高温环境（35℃）下相变材料处于完全熔化状态（全液相），此时须结合风冷或水冷以满足电池组散热需求。图 10 给出了不同风速下电池组最高温度和最大温差随时间的变化曲线。在三种放电倍率下，当无风冷时，电池温度陡增，其最高温度分别达到 44.86℃、56.73℃、81.14℃，超出最佳工作温度上限。因此，引入流速为 1~7m/s 的 35℃空气进行散热。增加风速可使空气带走更多的热量，降低电池温度，但其较低的导热系数限制了对流传热能力。因此，如图 10 所示，风冷可显著降低电池温度，风速越大，电池温度越低，但降低幅度逐渐减小。在 0.5C 工况下，当风速达到 3m/s 时，电池组最高温度降至 35.79℃，其最大温差为 0.27℃。风速增大至 5m/s 时，电池组最高温度仅比 3m/s 时降低了 0.5%；在 1C 工况下，风速为 3m/s 时，电池组最高温度为 38.16℃、最大温差为 1.06℃，5m/s 风速下的电池组最高温度 比 3m/s 仅降低了 1.8%。继续增大风速对降低电池温度效果不明显，故在 0.5C 和 1C工况下均宜选取 3m/s 的风速进行散热。

由图 10（c）可知，在 2C 工况下，风速达到 7m/s 仍无法满足电池组散热要求，故将冷却方式变为水冷。水流速度在 0.001m/s~0.02m/s 内取值，对应的电池组最高温度和最大温差如图 11 所示。当流速达到 0.01m/s 时，电池组最高温度为 39.64℃、最大温差为 3.89℃。继续增大流速，温度降低幅度逐渐平缓。因此，在 2C 工况下，宜选取 0.01m/s 的水速以获得较低的电池温度和较好的温度均一性。可见，在高温环境下，新型 BTMS 能满足电池组在不同放电倍率下的散热需求，避免因电池温度过高而导致的使用寿命缩短、热失控等现象，提高了电池组的安全性和耐用性。

本文提出了一种基于相变材料、热管、双层冷却通道耦合的新型锂离子电池热管理系统，借助数值模拟探究了其在不同环境温度下的保温与散热性能，得到以下结论： 

（1）当保温层厚度大于 20mm 时，电池组最高温度和相变材料液相率基本不变；当保温层厚度超过 35mm 时，保温时长趋于恒定。 

（2）0℃环境下，该热管理系统可为电池组提供长达 11.54h（0.5C）、12.26h（1C）、11.79h （2C）的保温时长；-15℃环境下，电池组的保温时长仍可达到 6.96h（0.5C）、7.73h（1C）、7.47h （2C）。

（3）25℃环境下，仅采用相变材料即可满足电池组在 0.5C、1C 放电倍率工况下的散热需求，2C 放电倍率工况下则需引入 2m/s 的通风冷却以达到控制电池温升和温度均一性的要求。 

（4）35℃环境下，相变材料处于完全熔化状态，此时须结合风冷或水冷以达到电池组散热需求。0.5C 和 1C 工况下宜选取 3m/s 的风速对电池组进行冷却，2C 工况下则宜选取 0.01m/s 的水速进行冷却。

本研究为全气候条件下锂离子电池热管理系统的设计提供新思路，同时为保障其安全高效运行提供理论参考。后续将开展相关实验研究，并探索该系统在大规模储能电池组中的应用。

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