分离式动力电池热管理系统设计与性能分析

邱洁玉，罗倩铭

分离式动力电池热管理系统设计与性能分析

邱洁玉，罗倩铭

（广州工程技术职业学院 机电工程学院，广东 广州 510000）

热管理系统对电动汽车动力电池系统性能有着至关重要的影响，有效的热管理系统能够改善动力电池的工作环境，使动力电池在最佳的温度内工作，保证电动汽车的行驶性能和行车安全。针对目前动力电池热管理系统存在的问题，文章设计一种热管辅助的分离式电池热管理系统，并对所提出的电池热管理系统开展参数化数值模拟。结果表明，相变温度在控制电池温度方面起着重要的作用，相变材料高导热系数使复合相变材料很好地加强了电池组的散热，但当导热系数增大至一定程度时，电池温度下降趋势趋于平缓。较高的对流传热系数有利于释放相变材料的潜热，提高相变材料的利用率，但是过高的对流传热系数并不能进一步提高系统的性能，还会导致成本增加等问题。

热管理系统；分离式；动力电池；相变材料；热管辅助；系统设计

在环境污染和能源短缺的两重压力下，实现节能减排与可持续发展日益迫切，发展低能源消耗、低污染排放的新能源汽车是未来汽车企业发展的重要方向[1]。热管理系统作为电动汽车所研究的重要技术之一，对于电动汽车动力电池的性能有着至关重要的影响。相变材料在电池热管理的应用上潜力巨大，受到越来越多研究者的关注[2]。然而在已有的基于相变材料的热管理系统设计中，如图1(a)所示通常是将相变材料填充至电池之间或者电池周围的空隙里，这种方式可能产生填充在电池之间的相变材料泄漏，且不适用于大尺寸的动力电池系统等难题。这些问题需要设计创新的基于相变传热介质的热管理系统进行解决。

本文围绕实现可持续发展和节能减排的背景，从动力汽车性能提升的关键因素电池和热管理系统两方面出发，利用多孔泡沫金属和相变材料制作复合相变材料，建立一种热管辅助的分离式电池热管理系统。针对所提出的电池热管理系统开展参数化数值模拟，提示不同因素对电池热管理系统的性能的影响，为电池热管理的设计和优化提供理论指导。

1 模型热管理系统的建立

1.1 热管理系统模型

如图1(b)所示，所设计的分离式电池热管理系统由电池组、热管、“泡沫铜—石蜡”复合材料、散热片和一个额外的风扇组成。热管理模块与电池组通过热管进行连接，热管的蒸发段夹在两个电池之间，冷凝器部分延伸到电池组外面与复合相变材料紧密接触。泡沫铜终端安装有散热翅片和冷却风扇，必要时加强热管理模块与自然环境之间的对流传热，帮助释放相变材料的潜热。

图1 传统电池组和分离式电池热管理系统图

在此系统中，热管理模块与电池组不再集成为一个整体，而是将热管理模块分离到电池组外部，热管理系统的传热路径如图1(c)所示，电池产生的热量首先通过热管的蒸发端被工质吸收，随着蒸发端温度的升高，工质被液化而流向热管的冷凝端；在冷凝端，热量被复合相变材料吸收和储藏，工质由于冷却而冷凝为液态，回流到蒸发段。在极端气候条件或恶劣形势工况下，当电池温度过高或石蜡完全熔化时，翅片和风扇被用来进一步增强系统的散热能力，保障热管理系统的功能。

1.2 数值模型

1.电池产热模型

在保证计算精度的前提下，电池所产生的热量采用BERNADI[3]提出的集总参数模型进行计算，产热公式如下：

2.控制方程

为模拟相变材料的相变过程，采用计算流体力学方法进行分析，并在数值计算中做以下假设：

（1）相变材料的热物性为常数；

（2）相变后的液相材料是不可压缩的牛顿流体；

（3）使用Boussinesq近似来模拟自然对流；

（4）辐射传热的影响忽略不计。

在此假设下，相变材料的流动和传热的控制方程计算公式分别如下：

连续性方程

能量方程

动量方程

式中，采用石蜡作为相变材料，PCM为石蜡密度；p为比热容；为温度；为时间；为石蜡的速度矢量；为热导率；为压强；为动力粘度；下标为特定方向；g为方向上的重力加速度；S为方向上的动量源项。

采用“焓-孔隙度法”[4]求解相变问题，用液相分数表示固液相，从而得到焓：

=+Δ（5）

Δ=（7）

式中，为相变材料的显焓；Δ为相变材料隐焓；为相变材料相变焓；为相变材料液相分数；计算公式为

式中，当=0时，表示相变材料处于固相状态；=1表示相变材料为液相状态；当的值在0和1之间，则表示相变材料处于固液共存的状态。s和1分别为熔化起始温度和熔化结束温度。

2 电池热管理系统传热特性数值分析

2.1 PCM相变温度的影响

相变温度是影响基于相变材料（Phase Change Material, PCM）的电池热管理系统性能的重要因素之一，图2(a)显示5 C倍率放电条件下，当PCM相变温度不同时电池最高温度变化。可以看出当相变温度为35 ℃时，在720 s电池模块的最高温度为47.6 ℃，当相变温度增加到50 ℃时，最高温度为51.8 ℃。这表明电池的最高温度很大程度上取决于PCM的熔点，显然过高相变温度的相变材料在此过程中不易熔化，相变材料无法得到更好的利用，从而不利于系统进行热管理。为进一步分析PCM相变温度对电池热管理系统性能的影响，图2(b)比较了不同相变温度下石蜡的熔化率（石蜡液相分数）。可以看出，当PCM熔点越低时，它的熔化速率越高并且熔化速度越快。然而，值得注意的是较低的相变温度容易导致电池还未放完电时PCM的潜热已经消耗殆尽，此时热管理系统的性能大幅下降甚至失效。因此，应从热管理系统的性能和相变材料的利用率两个方法进行综合考虑，选择具有适合相变温度的材料作为电池热管理的相变传热介质。

图2 相变温度对电池的最高温度、PCM融化率的影响

2.2 PCM导热系数的影响

图3显示5 C倍率放电时，不同的PCM导热系数对电池最高温度与相应的PCM熔化速率的影响。当PCM导热系数为0 W/m–1k–1时，即相变材料无法传递热量时，电池组的最高温度高达57.8 ℃。当PCM导热系数增加至2 W/m–1k–1时，电池组最高温度降低了8.6 ℃。然而，当继续增加PCM的导热系数，电池最高温度下降并不明显，此时对提高热管理系统的性能作用有限。另一方面，从图中PCM导热系数与相变材料融化率的关系可以看到，与对电池温度的影响类似，当热导率超过一定值时，相变材料的熔化速度基本保持不变。因此，虽然较高的导热系数有利于提高热管理系统的性能和相变材料的利用率，但当导热系数超过一定值时，其对利用率提升的作用会逐渐减小，过高的导热系数不仅对进一步提高系统的性能作用有限，还会导致成本增加等问题。

图3 PCM导热系数对电池的最高温度及PCM的熔化率的影响

2.3 传热系数的影响

循环工况代表了动力电池系统在长时间运行的情况，图4显示了不同对流传热系数下电池在循环工况下最高温度与相应的PCM熔化率的变化情况。其中，每一循环电池充放电倍率分别为1 C和5 C，每一个循环结束后系统将搁置10分钟，共进行了3个循环的数值仿真分析。可以看出，在第二、三个循环的放电过程中，不同传热系数下电池最高温度差异随之增大，PCM的熔化率差异较大。在第三个循环放电过程中，传热系数为 5 Wm–2K–1和10 Wm–2K–1时PCM熔化率都高达100%，电池最高温度超50 ℃。而高传热系数如 20 Wm–2K–1、25 Wm–2K–1、30 Wm–2K–1电池温度仍控制在45 ℃以内。这是由于低传热系数的系统内相变材料的潜热不足以用于吸收和储存电池产生的热量，被动式的热管理模式已经不能够满足电池的热管理要求。所设计的电池热管理系统结合额外散热风扇，能有效释放PCM的潜热，这种散热方法对电池热管理是可行的。值得注意的是，换热系数为25 Wm–2K–1、30 Wm–2K–1在三个循环中对电池的最高温度影响差异不明显，电池最高温度温差不超过1 ℃。较高的传热系数有利于释放相变材料的潜热，但这个影响作用存在阈值，过高的传热系数并不能进一步提高系统的性能，还会导致成本增加等问题。

图4 循环运行时不同对流换热系数的影响

3 结论

文章设计了一种集电池组、热管、“泡沫铜-石蜡”复合材料、散热片和一个额外的风扇的分离式电池热管理系统，该系统首先将电池产生的热量从电池组中转移出来，然后将其储存在相变材料中或将其逸散到外部自然环境，不需要将石蜡或其复合材料填充电池组内部。因此，可以最大限度避免由复合相变材料内导电物质引起的电池短路问题。并基于数值模拟计算结果研究PCM 相变温度、PCM导热系数以及散热风扇对流传热系数等因素对电池的热响应和PCM熔化率的影响，主要结论如下：

（1）电池的最高温度很大程度上取决于PCM的熔点，较低的相变温度更有利于电池温度的控制，较高的相变温度的相变材料不易熔化，降低了相变材料潜热的利用率，从而不利于系统的热管理。

（2）较高的PCM导热系数有利于提高系统的性能和相变材料的利用率，但这个影响作用存在阈值，过高的导热系数对进一步提高系统的性能作用有限。

（3）所设计的电池热管理系统结合额外散热风扇，能有效释放相变材料的潜热，这种方法对电池热管理是可行的方法。较高的传热系数有利于释放相变材料的潜热，提高相变材料的利用率，但是过高的换热系数并不能进一步提高系统的性能，还会导致成本增加等问题。

[1] 饶中浩.基于固液相变传热介质的动力电池热管理研究[D].广州:华南理工大学,2013.

[2] ZHANG P,XIAO X,MA Z.A Review of the Composite Phase Change Materials: Fabrication, Characterization, Mathematical Modeling and Application to Perfor- mance Enhancement[J]. Applied Energy,2016,43(12): 472-510.

[3] BERNARDI D,PAWLIKOWSKI E.A General Balance for Battery Systems[J]. Electrochemical Society, 1985, 132(1):5-12.

[4] YANG H,ZHANG H Y,SUI Y,et al.Numerical Analy- sis and Experimental Visualization of Phase Change Material Melting Process for Thermal Management of Cylindrical Power Battery[J].Applied Thermal Engin- eering, 2018, 128:489-499.

Design and Investigation on the Performance of Separation Type Power Battery Thermal Management System

QIU Jieyu, LUO Qianming

( School of Mechanical Engineering, Guangzhou Institute of Technology, Guangzhou 510000, China )

Thermal management system has a crucial influence on the performance of electric vehicle power battery system. Effective thermal management system can improve the working environment of power battery, make the power battery work in the best temperature, and ensure the driving performance and driving safety of electric vehicle. Aiming at the problems existing in the current power battery thermal management system, this paper designs a separate battery thermal management system assisted by heat pipe, and carries out a parametric numerical simulation of the proposed battery thermal management system. The results show that the phase change temperature plays an important role in controlling the temperature of the battery. The high thermal conductivity of the phase change material makes the composite phase change material strengthen the heat dissipation of the battery pack well, but when the thermal conductivity increases to a certain degree, the downward trend of the battery temperature tends to be gentle. High convective heat transfer coefficient is beneficial to release latent heat of phase change materials and improve the utilization rate of phase change materials, but high convective heat transfer coefficient can not further improve the performance of the system, and will lead to cost increase and other problems.

Thermal management system; Separation type; Power batteries; Phase change material; Assistcd by heat pipe;System design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.002

TM912

A

1671-7988(2022)21-07-05

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邱洁玉（1994—），女，硕士，助教，研究方向为动力电池热管理，E-mail:2312644579@qq.com。

2022年度广东省普通高校青年创新人才类型项目（自然科学）——基于风冷/热管耦合的分离式复合相变材料电池热管理系统性能研究（2022KQNCX219）。