本文仅为部分内容展示
如需下载全文PDF文件，可关注公众号+后台私信
更多行业报告技术论文皆可免费领取
作者丨黄司露 陈 昊 师欣媛 刘家豪（上海海事大学海洋科学与工程学院）
摘要
为了有效解决电动汽车锂离子电池在工作中温度过高的问题，采用 Fluent 数值模拟方法，以 18650 锂离子电池为研究对象，设计了一种相变材料(Phase change materials，PCM)与单腔式圆筒状冷板相结合的热管理系统，研究了 PCM 厚度、冷却液流速及进出口位置三个因素对系统冷却效率的影响。
结果显示，添加液冷后的热管理系统可以有效降低高放电倍率下电池的表面温度及温差。在此基础上继续研究 PCM 厚度的影响，发现 PCM 厚度越大，相变时间越长，温度上升速率越低。
对于液冷部分的流速来说，在 0～2 mm/s 的范围内，电池表面最高温度下降了约 16.79 K，但是当流速超过 2 mm/s 后，冷却效果达到饱和状态。
此外，不同进出口位置会带来不同冷却效果，异侧下进上出可以提供更低的最高温度及最好的温度均匀性。
上述发现验证了 PCM 与单腔式圆筒状冷板结合的有效性，也为强化系统的传热设计提供了新见解。
引言
在双碳目标背景下，以可再生能源为动力的电动汽车逐步替代燃油汽车已经成为一种可持续发展的趋势。
作为电动汽车主要动力来源的锂离子电池因无记忆效应、高能量密度、长循环寿命和低自放电率等显著的性能优势而备受关注。
研究表明，锂电池最佳工作温度区间为 25～40 ℃，电池组的最大温差不应超过 5 ℃。在实际应用中，工作温度不合理、使用不恰当等原因会导致电池性能下降，严重时还会发生热失控，从而诱发安全事故。
因此，迫切需要开发高效的锂电池热管理系统(Batterythermal management system，BTMS)，避免电池组内的热量积聚，确保电池的温度平衡且始终处于安全合理的工作温度范围内。
在常见的冷却方式中，相变材料(Phase changematerials，PCM)冷却因其紧凑性和充放电过程中的等温特性脱颖而出。
关于 PCM 与液冷进行复合冷却，绝大多数的研究都将冷板设计为多通道模型，液体与 PCM 或电池之间的传热效率因面积受到很大限制。
为了最大程度地发挥 PCM 与液体冷却的作用，提高电池冷却效率，本文将包覆式 PCM 与圆筒状单腔结构的冷板进行结合，对组成的复合型冷却系统进行仿真分析，并在此基础上讨论了 PCM 厚度、冷却液流速、出入口位置对散热的影响。
数值模拟
几何模型
本研究涉及三种物理模型，分别是单体电池、电池+PCM 和电池+PCM+液冷，如图 1 所示。
复合型 BTMS 主要是由 18650 圆柱型电池，PCM 和铝制单腔式圆筒状冷板组成。
一个圆柱形加热器被用来模拟电池，电池置于模型中间，被圆筒状的相变材料包裹，最外围是单腔式的冷板，液体从下端流进，上端流出，具体细节如图 2 所示。
热电偶被分别放于电池上中下三个监测点，分别对应图 1 中的a、b、c 三个点，用于观测温度变化。
研究中使用的 PCM 为以石蜡为主要成分的固体-固体复合材料，由于水有较大的比热容、良好的流动性及成本低、易获取、散热效果良好等特点，所以被选为模拟中的冷却液，冷板材料选用导热性好、重量轻的铝。
本文所使用的电池、PCM、铝和水的详细信息如表 1 所示。
网格独立性测试
为了保证结果的准确性及减少计算时间，本文对 3C 充放电速率下的 PCM 厚度为 8 mm，冷却剂流动速度为 0 m/s 的模型进行了网格独立性测试，分别测试了 14 万、23 万和 48 万的网格数下 b 点的温度，测试结果如图 3 所示。
结果显示三条温度曲线差异很小，可忽略不计，对比认为 14 万的网格数量足够满足计算要求。
模型验证
为了与 WENG 等[19]的试验结果进行对比并验证模型的可靠性，本文根据试验条件对仅有 PCM 冷却的物理模型进行设计。
模拟了环境温度为298.15 K，PCM 厚度为 8 mm，2C 放电速率下电池的温升过程，得到 b 点温度变化曲线，并与 WENG等的试验中相同工况的试验数据进行了比较，验证结果如图 4 所示。
结果表明，模拟数据与试验结果相差就较小，因此可认为本模拟具有一定准确性。
结果与分析
不同冷却方式的作用效果
在分析结果之前，本文首先对单电池自然对流下 1C、2C、3C 的性能进行了测试，如图 5 所示。
无论哪种充放电速率，电池表面温度都在不断升高，其中 1C 最高温度为 305.62 K，在锂电池的安全使用范围中；2C 及 3C 速率下，最高温度分别达到了329.15 K 和 367.9 K，远高于 313.15 K，特别是 3C下电池的发热情况已经接近热失控，需要有效的冷却系统对其进行热管理，防止安全事故的发生。
所以接下来本文针对 2C、3C 速率下不同冷却方式的作用效果进行讨论分析。
表2和图6为2C和3C在分别在自然对流、PCM冷却及 PCM+液冷三种方式下电池表面温度变化情况。对比可以看出，无论是 2C 还是 3C，对电池采取热管理措施后，最高温度和最大温差明显降低。
对于 2C 来说，进行 PCM 冷却后，温度下降了约47.58%，而放电速率为 3C 时，温度下降了约34.48%，冷却效率降低，且最高温度仍有 343.86 K，电池处于高温状态，如果持续进行充放电将会导致热失控的发生，这时只有 PCM 进行冷却并不能满足散热的要求。
在实际应用中，电池组通常会进行高倍率充放电，这种情况下，电池产生的热量就无法有效被吸收，所以需要对 PCM 冷却下的 BTMS进行优化设计。
液冷部分的加入，可以迅速带走PCM 内部储存的热量，释放潜热，2C 下电池的最高温度为 313.02 K，已经成功下降到了 313.15 K 的范围内，在 3C 情况下，最高温度可以进一步下降约 11 K，温差降低了 1.48 K。
综合来看，PCM 与液冷复合系统是解决电池热问题的有效方法。
接下来将针对 3C 速率下的散热情况进行模拟，通过改变PCM 厚度、冷却液进口流速及冷却液进出口位置对复合系统进行优化，探讨不同因素对BTMS 系统的影响。
PCM 厚度的影响
基于上述所提出的 PCM 与液冷的复合冷却系统，首先对 3C 放电倍率下 PCM 厚度对电池温升的影响情况进行分析。
从图 7 可以看出，三种不同厚度 PCM 冷却下的电池温度变化趋势相同，开始先快速升高后上升趋于平缓，整个过程经历了预相变、相变及完全相变三个过程。开始进行充放电时，还处于固态的 PCM 以显热的形式发挥作用。
随着放电的继续进行，电池温度上升，PCM 吸收了来自电池的热量后温度也在不断上升，当接触电池的PCM 到达相变温度时，逐渐由固态相变成液态相，电池产生的过量热量主要被 PCM 吸收，并以最小的温度变化转化为潜热并储存起来，此时电池温度上升变得平缓并维持在相变温度附近。
而当所有的相变材料完全相变后，无法再吸收来自电池的热量，于是电池温度再次快速升高，最后趋于最高温度。随着厚度由 6 mm 增加到 8 mm，电池的最高温度分别为 333.01 K、332.97 K 和 332.85 K，厚度越大，最高温度越低，但降低幅度不明显；最大温差分别为 1.49 K、1.61 K 和 1.82 K，都处于目标范围内。
但是从图 7 中曲线对比来看，PCM 厚度越大，相变过程持续时间也越长，温度上升速率越低，到达完全相变的时间也越慢。在接下来的分析中，为了控制变量，选用8 mm厚度的PCM 进行分析研究。
冷却液流速的影响
通过上述分析选择了厚度为8 mm的PCM进行对流速的分析。共选取了 8 种流速，冷却剂入口温度保持与环境温度相同的 298.15 K，电池表面最高温度随着流速从0 mm/s增加到10 mm/s的变化如图8 所示。
从图 8 可以看出，冷却剂流速的增加可以使最高温度降低。当流速为 0.5 mm/s 时，电池表面最高温度下降至 325.28 K；流速增加至 2 mm/s 时，电池表面最高温度降至 316.15 K，相比 0 mm/s 时下降了约 16.79 K，已经接近电池的安全使用范围。
在本文讨论的 BTMS 中，传热过程主要包括电池与PCM 之间的换热，PCM 与液冷部分之间的传热以及系统外表面与周围环境的热对流。
电池产生的热量被周围的 PCM 所吸收，最外部的液冷模块负责带走 PCM 内部储存的热量，所以电池所产生的热量最终传递至液冷处并随着冷却介质带走，当流速增加，液冷部分带走的热量增多，电池的最高温及温差也随着降低。
但是当流速超过 2 mm/s 后，流速的进一步增大并没有显现出更好的散热效果，这是由于受到 PCM 和电池自身材料的导热限制，即使冷量再大也无法及时传递到电池，这时冷却系统的导热能力接近于饱和状态，所以在该范围内改变流速的大小对电池的最高温度影响并不明显。
图 9 描述了电池的最高温度、最大温差、压差及系统的冷却效率随着入口流速的变化情况。从图9 可以看到随着流速的增大，电池的最高温度下降幅度逐渐减小，冷却效率虽然在不断增大，但是其增大幅度却在逐渐减小，这印证了冷却能力的饱和。
就最大温差而言，从 0 mm/s 变化到 2.5 mm/s，电池的温差随着流速的增加先增大后减小，这与 ZHAO等[12]的研究一致，无论是哪一种流速的温差都没有超过目标范围(5 K)。
压差方面，随着流速的增长，进出口压力在不断增长，流速为 0.5 mm/s 时压差为0.017 2 Pa，当流速增加至 10 mm/s 时，压差增大到了 0.478 Pa。
电池的最高温度和冷却液的压差在流速变化时呈现一个相反的状态。所以需要注意的是，虽然当流速继续增加到 10 mm/s 时，冷却效率最优，最高温度及最大温差达到最低，且都处于电池使用安全范围内，但是增加冷却液的流速意味着压差的增大，这时提供功率的泵将消耗更多的能量，所以在实际应用中如果要获得较低的温度和较低的泵送功率，就需要进行综合考虑。
综上所述，增加流速可以有效降低电池的最高温度，改善温度均匀性，但是压降会有所增加。
因此，考虑到功耗问题，在保证冷却效果的情况下，应选择较低的流速。基于上述考虑，在本系统中选择 2 mm/s 的流速可以充分满足要求。
进出口位置的影响
上述所讨论的物理模型都是针对出入口在相对 侧且冷却液下进上出的情况。
张进强等对不同进 出口方式的液冷系统进行了研究，指出进出口方式 的改变对电池模组温升及温度均匀性影响明显。
在 他们的启发下，本研究构建了另外三个进出口位置 不同的物理模型，用来研究冷却液以 4 种不同方式 进出时的冷却效果，4 种进出口设置及其对应的温 度云图如图 10 所示：方式 1，异侧下进上出；方式 2，异侧上进下出；方式 3，同侧下进上出；方式 4， 同侧上进下出。
4 种方式进出口的处于同一轴向面 上且垂直距离相同。为了更好地对比效果，环境温 度与冷却液入口温度与前文所设相同，流速定为 2 mm/s，其他条件不变。
表 3 给出了 4 种模型的最高温度、最大温差和压差的情况。表 3 中数据反映，4 种方式的压差相差无几。从最高温度来看，进出口位置处于同侧的两种方式电池的最高温度要比异侧略高。
结合图 10的温度云图，无论是哪种进出的方式，由于冷却液在进口处温度较低且尚未吸收来自 PCM 的热量，这时电池位于进口部分的温度明显比其他部分更低。
在冷却液流入进行冷却过程中，由于进出口位置处于异侧，冷却液在方式 1 和方式 2 的流动路径比同侧流入流出的方式 3 和方式 4 更长，流动更充分，冷却液与 PCM 间换热更充分，所以冷却效果明显更好。
从温差的角度来看，4 种方式都可以将温差控制在安全范围内，对比会发现其中无论是同侧还是异侧，进口位置位于下方的电池温差会明显较小；异侧下进上出比上进下出温差要低 1.61 K，同侧下进上出比上进下出温差低 2.21 K。
由于整个系统底部绝热，电池下部积累的热量比上部要多，冷却液进口温度相对较低，当冷却剂从入口移动到出口时，来自电池的热量传递导致其温度升高，与此同时也会导致沿着出口方向的电池温度升高，所以当冷却剂从上方进入移动到下方时，温度上升导致无法传递底部大量积累的热量，电池表面温差较大。
相比之下，冷却剂下部进入，从高热量积聚区域去除热量，从而降低热梯度，改善温度均匀性。综合来看，选择方式 1 异侧下进上出的方式可以更好地提高 BTMS 的冷却效率。
结论
基于 PCM 冷却改善温度均匀性和液体冷却控制最高温度的优点，本文提出一种新的复合型冷却系统结构，将相变材料与一个单腔式圆筒结构的冷板相结合，采用数值模拟的方法对 PCM 厚度、冷却液流速及进出口位置对电池最高温度、最大温差及压差的影响进行研究，得出以下结论。
(1) 纯PCM冷却可以有效降低电池的最高温度和温差，但是在高放电速率(3C)下，纯 PCM 降温效果有限，引入液体冷却可以增强散热，电池最高温可进一步降低约 11 K。
(2) 不同厚度PCM冷却下的电池温度变化趋势大致相同。随着 PCM 厚度的增大，相变时间越长，温度上升速率越低，到达完全相变的时间也越慢。
(3) 冷却液进口流速的增大可以改善系统冷却效果。当流速增加至 2 mm/s 时，电池表面最高温度降至 316.15 K，相比 0 mm/s 时下降了约 16.79 K。
但是当流速超过 2 mm/s 后，冷却系统的冷却能力已经接近于饱和状态，此时流速的进一步增大并没有显现出更好的散热效果，反而压差的随之增大会导致泵送功率的增大。
(4) 进出口位置的变化会影响电池最高温度及最大温差，但是对压差的影响不大，4 种冷却液进出口方式中，异侧下进上出将提供更低的最高温度及最好的温度均匀性。
目前的研究结果很好地验证了 PCM 与液冷的复合 BTMS 的冷却效果，为未来 BTMS 的优化提供了新的思路。但本研究主要针对于单体电池，其在电池组中的应用尚未进行考虑。
此外，有关于不同类型的电池、不同冷却介质、不同结构设计的模拟还需要在后续的研究进行考虑，使得优化后的复合冷却系统能够适用于更多的实际情况。
免责声明：本文为网络搜集，已经标明来源，如涉及相关权益，请联系后台协商删除。文中观点仅供分享交流，不代表本公众号立场。
▼点击图片跳转查看更多详情▼
欢迎加入
