基于相变散热和电阻丝加热的电池热管理系统

付乐群，曹鼎钰，宋叶帆

基于相变散热和电阻丝加热的电池热管理系统

付乐群，曹鼎钰，宋叶帆

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

提出了一种在高温环境下可利用相变、液冷、风冷耦合散热，在低温环境下可利用电阻丝加热的动力电池热管理系统的结构设计，分析了其工作原理。建立了系统整体三维模型，利用fluent进行风冷流道分析，得到风冷通道温度分布云图。仿真分析表明，文丘里管流道可有效减缓并行风冷中间温度聚积的情况。

电池热管理系统；相变散热；耦合；fluent仿真

1 引言

随着电动汽车的发展，动力电池逐渐引起大众的关注，其必须拥有大功率、高容量才能满足电动汽车动力和续航能力的需求。而蓄电池在充放电过程中发生的复杂化学反应往往伴随着大量热量的产生，虽然温度上升，电池内阻变小，性能提升，但过高的温度将会破坏电池，Li-ion电池在45 ℃环境下工作使用寿命减少50%，大量热量的产生不仅会大大缩短蓄电池的使用寿命，更会产生过热、燃烧、爆炸等严重威胁人类自身的安全问题。而低温会导致蓄电池出现放电深度不够甚至无法放电的情况。

目前，国内外对电动汽车动力电池热管理的研究主要集中在对动力电池的冷却上，对冬季高寒地区动力电池加热保温的研究较少。目前主要研究的冷却方法包括液冷、空冷、相变散热、冷板等散热方式或几种散热方式耦合的主动或被动式散热[1]，文献[2]对空气冷却、液体冷却、相变传热冷却和热管冷却的优缺点进行了详细对比分析。现有的研究中，很少有将多种冷却方式以及动力电池的加热和保温进行耦合。因此，迫切需要一种在高温时能对电池进行散热，在低温时能对电池进行加热或保温，使电动汽车动力电池性能一直保持最佳状态的热管理系统。

2 动力电池热管理系统工作流程

动力电池热管理系统共有两种工作模式，可分别对应于高温时的电池散热和低温时的保温加热，当本系统开始工作时，温度传感器检测相变材料温度，如果相变材料温度过低，控制器控制出风口和进风口关闭，再通过电阻丝直接对电池进行加热，直到温度传感器检测到相变材料温度变化并达到其对应的相变温度时停止加热。

如果本系统开始工作时检测到相变材料温度高于设定温度值，根据当前相变材料的温度将采取多种不同的方式进行散热降温处理。如果相变材料温度未达到其熔点，则可直接采用相变冷却的方式来降低电池组的温度，在此情况下，只需利用汽车行驶过程中的风经空冷散热系统辅助相变材料进行散热。如果动力电池产热量较大，此方法无法降低电池温度，本系统将采用液冷方式对相变材料进行散热，此种方法极大地降低了风机的启停频率，延长了风机的使用寿命，同时降低了由于频繁启停而造成的能量损耗。

3 电池热管理系统结构和原理设计

3.1 电池热管理系统结构设计

电池热管理系统原理和结构如图1所示。由于不同动力所需动力电池的数量不同，因此本系统除控制系统外将单个动力电池制作成一个单独的热管理单元。动力电池四周被相变材料所包围，两者可直接进行热量交换，由于相变材料吸热后会变成液态，因此其外包裹有相变材料封装壳，加热电阻丝埋于相变材料靠近动力电池侧，可直接对电池进行加热。由于相变材料的导热率较低，需耦合空冷或液冷进行散热。液冷模块主要由二位四通换向阀、蛇形铜管、冷凝管、增压泵等组成，蛇形铜管埋于相变材料中，其在每一个模块都设有一个冷却工质入口和一个冷却工质出口，其分别有两种连接方式，冷却工质入口既可与进口连接管道相连，也可与前一个模块的冷却工质出口通过U形连接管相连，冷却工质出口既可以与后一个模块的冷却工质入口通过U形连接管相连，也可以与出口连接管道相连。

动力电池组外部通过箱体外壳包裹，箱体外壳与动力电池之间设有间隙，形成风冷通道，在箱体外壳两端分别设有与风冷通道相通的进风口和出风口，进出风口都设有进出风门，由控制器控制其开合，该部分打开时可借助汽车行驶过程中的风，将相变材料中所储存的热量带走，此部分共同构成风冷系统。

冷却模块将进入该模块的高温冷却工质冷却降温并输出，冷却工质入口通过内循环支路直接与二位四通电磁阀的第二出口相连。冷凝管支路和内循环支路并联与进口连接管道串联，内循环支路起到将冷凝管和增压泵旁通作用。

1—动力电池；2—蛇形铜管；3—冷却工质出口；4—U形连接管；5—冷却工质入口；6—电阻丝加热片；7—箱体外壳；8—相变材料；9—出口连接管道；10—温度传输线路；11—控制器；

3.2 电池热管理系统原理设计

启动时，温度传感器检测到相变材料温度升高到其相变温度后一段时间，控制器将控制二位四通电磁阀打开冷凝管支路，之后开启增压泵，此时增压泵将带动蛇形铜管中的冷却液开始流动，由于蛇形铜管分布于相变材料中，因此相变材料所存储的热量将通过蛇形铜管被其中的冷却液吸收，被加热的冷却液将沿着蛇形铜管通过出口连接管道流入冷凝管，经冷却过后的冷却液重新被增压泵压入蛇形铜管，不断循环，使相变材料始终保持固体状态，维持其散热效果，直到温度传感器检测到相变材料温度开始下降时，控制器控制增压泵关闭，控制二位四通电磁阀关闭冷凝管支路，打开内循环支路，相变材料的温度降利用风冷通道逐渐下降至室温。当启动时温度传感器检测到相变材料温度过低时，控制器控制进出风门关闭，再控制电阻丝加热片工作，电热丝直接对电池进行加热。当电阻丝加热时，二位四通电磁阀打开内循环支路，由于电池箱各处的温度不同，因此电池箱不同部位的冷却液将形成温差，导致冷却液相互混合流动，此过程可使电池箱各处的温差减小。如果行驶过程中由于放电过大导致温度急剧升高，可通过打开风冷通道的方式辅助散热，在温度下降时及时关闭风冷通道。

4 电池热管理系统风冷通道仿真分析

由于本系统中需要利用汽车行驶过程中所产生的风对动力电池进行风冷散热，因此为增强风冷散热的效果，本系统需要对风冷的流道结构进行设计，本文采用workbench中的fluent软件对所设计的文丘里流道进行仿真分析。

文丘里管设置两个进口和一个出口，假设动力电池组温度为50 ℃，环境温度为30 ℃，流速为10 m/s，根据空气在30 ℃下的物理性质可知，空气的密度为1.13 kg/m3，导热系数为0.024 W/（m·K），比热容=1.003 kJ/（kg·K），粘度为0.018 59 Pa·s，设置好相关参数后，选择湍流模型，根据设置好的边界调节求解其能量方程，得出该结构的温度分布云图，如图2所示。

图2 风冷通道温度分布云图

由图2可以看出，通过文丘里管结构的设计，可以利用汽车行驶产生的风将动力电池中积聚的热量带走，增强相变散热的效果。

5 总结与展望

本文在现有的动力电池散热方式基础上，提出一种在高温环境下可利用相变散热、液冷散热和风冷散热耦合的散热方法，在低温环境下可利用电阻丝加热的动力电池热管理系统，同时为增强风冷的效果，解决并行风冷中间部分温度聚积的问题，利用fluent建立了文丘里管三维模型，并完成了该流道中的温度分布云图。仿真结果表明，使用文丘里流道可以解决并行散热时中间部分温度聚积的问题，为电动汽车电池热管理提供了一种新的方法和思路。

本方法可用于电动汽车电池热管理系统，使电池始终保持在最合适温度下工作，提高电池放电深度，延长电池的使用寿命，减少废旧电池的污染。

［1］姜贵文，李敬会，黄菊花，等.相变材料和液冷耦合散热的锂电池热管理研究［J］.电源技术，2018，42（10）：1462-1465，1485.

［2］严佳佳.基于相变散热的动力电池热管理系统研究［D］.合肥：中国科学技术大学，2017.

［3］饶中浩，张国庆.电池热管理［M］.北京：科学出版 社，2015.

TM912

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.045

2095－6835（2019）17－0099－02

〔编辑：严丽琴〕