东方优配 7月中国锂电第一展|锂电池热管理研究液冷和相变材料冷却的动力_散热_温度_性能

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摘要：锂离子电池在工作过程中会放出大量的热，长时间工作会导致电池长期处于高温环境中，对电池的性能和寿命造成严重影响。文章设计了一种基于液冷板和相变材料结合的动力锂电池散热系统，对比分析了不同的介质、不同的初始温度、不同的水流速对电池散热的影响。结果表明，在初始温度为 25℃，水的流速为 0.2m/s 时，采用水+ 相变材料的方式对电池进行散热效果最佳。

关键词：电池热管理、相变材料、锂离子电池、散热性能、液冷板

1.引言

锂离子电池因为没有记忆效应、输出功率大、使用寿命长、不含有毒有害物质等优点，在储能和新能源汽车领域得到了广泛应用。但由于温度对动力锂电池的性能影响很大，所以电池的最佳工作温度范围需要控制在 20～45℃之间。在实际的高温环境和快速放电应用下，电池的产热量迅速增加。若热量得不到耗散，会发生不可逆的热失控甚至爆炸。除此之外，电池工作前后的最大温差应小于 5℃。温差过大就会导致电池的放电不平衡，加快电池老化速率，影响电池的容量保持率。为了提高电池的性能，确保电池寿命，简单高效的电池热管理技术显得尤为重要。

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针对电池的研究中，卢欣欣等研究新能源汽车动力电池分类及其常见问题，并提出解决方法，为电池发展提供理论指导。张良设计了一套强制风冷散热系统，通过改变电池间距、进风口风道角度等，有效改善了风冷散热系统的散热效果。贺春敏等将 Mxene 与石蜡结合构建复合相变材料，探讨不同参数对散热性能影响，最终实现可将温差控制在 0.75℃以下。张晓光等建立相变冷却耦合空气冷却锂电池组散热模型，模拟不同单体电池间距以及相变材料用量下电池组温度场变化情况。研究发现，当单体电池均匀排布时，随着电池间距的增大，相变冷却系统内温差先降低后升高，在 10mm 时温度均匀性最优。路玲等研究发现，添加翅片的 PCM 散热模型可将锂电池最高温度进一步降低 2.4℃，增加翅片数量和延伸翅片长度均可提升锂电池散热性能。刘晓峰等研究热管和空气冷却结合的技术对电池进行散热，相比强制空气对流 , 弥补了热介质空气热学性能差的缺点。吴凯等研究对比风冷、液冷、相变材料制冷等不同方面，认为液冷适用范围更广、效率更高。王烨等设计平板热管与相变材料 (PCM) 复合的散热系统，可以解决单块电池温差过大的问题。任雪萍等采用一种基于口琴管的液冷方案模拟研究冷却电池组的温度分布，结果表明，该方案可以同时满足电池所需的降温和均温要求。

本文设计了基于液体和相变材料冷却的电池热管理系统，研究了不同介质对电池散热的影响，比较了不同冷却方式下的电池散热情况。

2.数值模型建立及实验验证

2.1模型建立

锂离子电池参数为直径 18mm，高 65mm 的 18650 圆柱电池，忽略电池细小部件对电池生热和传热的影响，对电池单体进行简化处理，使用 Solidworks 进行建模。如图 1 所示，电池摆放在带翅片的支架上，在电池周围填充相变材料，支架下方铺设有流道，水从支架底部的流道内流过用于冷却电池，锂离子电池、相变材料、支架和水的物性列于表 1 中，其中支架的材料为氧化铝。

2.2网格划分

为了验证网格数量对计算结果的影响，使用 Ansys Mesh 对电池单体模型进行网格划分，网格模型如图 2 所示，网格数及其放电结束后温度的关系如图 3 所示。

2.3控制方程

数值模型中采用的连续性方程（1）、动量守恒方程（2）和能量守恒方程（3）如下所示。

式中：u 为速度，m/s；t 为温度，K；P 为压力，Pa；ρ 是密度，kg/m

3；μ 是黏度，Pa·s；λ 是热导率，W/(m·K);cp 为比热容，J/ (kg·K)。

相变材料的传热模型如下所示。

式中：H 为焓，J/kg；L 为潜热，J/kg，下表 L 和 S 分别代表液相和固相。

计算电池的生热率的公式如下所示。

式中：I为电流，A；R为电阻，Ω，U为电压，V。

2.4初始条件

假设电池分别在初始温度为 25 ℃、30℃、35℃的工况下以 3C 电流放电，水的流速分别为 0.05m/s、0.1m/s、0.2m/s，忽略重力，采用 SIMPLE 算法，压力、动量和能量采用二阶迎风格式，除能量外收敛条件为残差小于 10-3，能量的收敛条件为残差小于 10-6。

2.5　实验验证

通过实验验证电池的生热模型。如图 4 所示，将 4 个 18650 电池串联后置于恒温箱内，使用充放电装置（型号 EBC-A20）将电池进行 3C 放电。使用了四个热电偶来测量电池的实时温度，并使用一个无纸记录仪（型号 MIK-R5000C）记录并保存数据。仿真的结果和实验的结果如图 5 所示。

根据图 5，实验结果与仿真结果之间的差异很小，最大偏差在 1℃以内，这表明仿真使用的电池生热模型是可靠的。

3.不同介质对锂离子电池散热的影响

3.1　不同冷却方式的影响

不同冷却方式下的温度云图如图 6 所示，在仅用空气对电池进行散热时，电池的温度较高，由于电池底部的热量在支架表面散发，所以电池底部的温度低于电池顶端，图中顶端的颜色也更深。四周的电池比中间的电池与空气的接触面积更多，自然对流带走了侧面电池的一些热量，所以颜色也比中间的电池较浅。在用水作为冷却剂的情况下，由于冷却水在电池下方的流道中流动，会带走大量热量，所以电池底部的温度明显低于电池顶部，在翅片的作用下，电池中上方的部分热量也被水带走，冷却效果优于仅用空气冷却。当用相变材料冷却电池时，冷却效果明显好于前两种，电池的大部分热量被相变材料吸收。使用水+ 相变材料作为冷却剂效果是四种冷却方式中效果最好的，因为其结合了水冷电池和相变材料冷却电池的优点。

不同条件下的冷却温度变化如图 7 所示，电池的初始温度为 303.15 K，电池产生的热量随时间逐渐增加。前 220 s 在四种冷却方式下的电池升温速度相差不大，220 s 之后相变材料和水+ 相变材料的方式升温速度明显低于另外两种，相变材料的相变温度是 308.15K，此时电池的温度达到了这一数值，所以相变材料开始融化，在相变材料融化逐渐过程中，电池的温度几乎不发生变化，相变材料吸收了电池散发出的热量，当电池底部流道中有水通过时，水也能带走电池的热量，因此当使用水和相变材料冷却电池的时候，放电终了时电池的温度最低，为 313.51K，比仅使用空气冷却电池时降低了 20.78K。

电池热管理系统不仅需要快速降低电池温度，而且还需要将电池的温差保持在 ± 5℃ 范围内，因此电池的温差对冷却方式的选择也尤为重要。不同冷却方式下的温差如图 8 所示，采用四种冷却方式下的电池温差均随时间推移而逐渐增加。其中相变材料和水+ 相变材料冷却的电池温差有些波折，在 220 s 之前的温差略高于另外两种冷却方式的温差，在 220 s 至 300 s 之间温差又会减小至0，这是因为在相变材料融化的过程中相变材料的温度几乎不发生变化，之后到 1000 s 四种冷却方式的温差相差不大，但1000 s 之后它们间的差异随时间推移而增大，在放电终了时，电池温差最小的冷却方式是水+ 相变材料。

3.2　不同初始温度的影响

本节研究的是不同初始温度对电池散热的影响，其余变量一致的情况下分别设置了初始温度为 25℃、30℃、35℃。

图 9 所示的是在初始温度不同的情况下电池的温度。从图中可以看出当，初始温度为 298.15K 时，放电终了时电池的温升是三组中最大的，当初始温度为 308.15K 时，放电终了时电池的温升是三组中最小的，这是由于当初始温度为 308.15K 时，放电终了时，已经有大部分相变材料融化，相变材料融化时维持了电池的温度，降低了电池的温升，如图 10 所示，初始温度为 35℃时，放电终了时液相质量分数远远大于初始温度为 25℃时的液相质量分数。不同初始温度下液相质量分数随时间的变化情况如图 11 所示，从图中可以看出当初始温度为 35℃时，在电池放电刚开始时相变材料就开始融化，而当初始温度为 25℃时，在电池放电后 450s 相变材料才开始融化。

初始温度不同时的电池温差如图 12 所示。三组温度达到 308 K 后温差会降低一段时间，之后温差又会随时间推移而不断增大，在 900s 时，初始温度为 25℃的电池温差为 0.4 K，初始温度为 30℃电池温差为 0.6K，初始温度为 35℃电池温差为 0.7K。初始温度为 25℃的电池温差最小。

3.3不同流速的影响

本小节研究的是在其余条件都相同的情况下，水的流速对电池散热性能的影响。图 13 展示了不同流速下电池的温度，从图中可以看出随着水流速的增大，电池的温升速度减慢，但速度对电池温度的影响不显著，这是由于流速较高时水流冲刷流道边界，提升了对流换热系数，使得更多的热量从电池传递给水，但是流道与电池的接触面积较小，因此这种效果不明显。

不同流速下的电池温差，如图 14 所示。220s 相变材料熔化之前三种流速相差不大，但熔化之后，同一时刻，流速越大温差越低，例如在 900 s 时，流速为 0.05m/s 的温差为 0.58K, 流速为 0.1m/s 时温差为 0.56K, 流速为 0.2m/s 时温差为 0.5 K, 这表明了在相变材料融化后，流速增大电池之间的温差减小。

4.结论

本文设计了基于液体和相变材料冷却的电池热管理系统，研究了不同介质对电池散热的影响，比较了不同冷却方式下的电池散热情况，得出结论如下：

（1）在电池周围包裹相变材料后，放电终了时电池的温度和温差均降低，水+相变材料的冷却方式为最优。

（2）电池初始温度较高时，放电终了时相变材料的液相质量分数较高，电池的温升较小。

（3）水的流速增大将导致电池的温度和温差降低。

来源：新能源汽车发布于：河南省

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