摘    要   

由于污染的增加和全球變暖，汽車工業(yè)的未來正朝著汽車電氣化的方向發(fā)展。在研究中，需要將合適的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)納入電池的實(shí)際運(yùn)行中。溫度對(duì)電池的性能影響很大，控制好溫度可以提高電池的性能，保證電池的安全運(yùn)行，延長電池的使用壽命。近年來，相變材料在BTMS中的應(yīng)用得到了廣泛的研究。由于相變材料是被動(dòng)冷卻系統(tǒng)，它不需要任何額外的電源為其運(yùn)行。目前的研究是試圖通過改變石蠟基PCM材料的形狀和電池間距來優(yōu)化PCM電池。本文對(duì)不同形狀電池模塊的熱性能進(jìn)行了計(jì)算分析。對(duì)矩形、圓形、六邊形等不同布局的電池進(jìn)行了計(jì)算分析。最終測試結(jié)果表明，8*3矩形布局的電池模塊在運(yùn)行6小時(shí)后表現(xiàn)出更好的性能，最高溫升為55.9℃。其他布局的最高溫升分別為67.1℃、63.3℃、6*4矩形布局的最高溫升分別為57.6℃。

01  前    言 

由于化石燃料的迅速枯竭和嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)的采用，需要找到一種新的技術(shù)來解決全球這一問題。近年來，由于全球氣溫的升高，世界上開始采用混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和電池供電的電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車似乎是解決這些全球環(huán)境問題的有前途的技術(shù)，它被認(rèn)為是零排放車輛。電池組被認(rèn)為是電動(dòng)汽車的主要電源，但它對(duì)溫度非常敏感，并且影響電池的壽命和性能。在過去的幾十年里，鋰離子電池似乎是一種很有希望用于電動(dòng)汽車的電源。盡管鋰離子電池具有高能量密度和較長的使用壽命，但隨著壽命的延長，會(huì)導(dǎo)致熱失控，最終導(dǎo)致爆炸。因此，電池溫度起著主導(dǎo)作用，它決定著電池的性能。電池在超過工作范圍的高溫下工作，會(huì)導(dǎo)致電池的破壞和壽命降低[。在另一種情況下，電池在低于0℃的低溫環(huán)境下工作，會(huì)導(dǎo)致電池輸出電壓降低，電池充電減少。之前的許多研究表明，鋰離子電池在低于40°C的溫度下有效工作，電池芯溫度差小于5°C。相變材料被認(rèn)為是被動(dòng)熱管理系統(tǒng)，與主動(dòng)熱管理系統(tǒng)相比，它不需要任何動(dòng)力元件來運(yùn)行。相變材料由于其相變現(xiàn)象，吸收充放電過程中產(chǎn)生的熱量，自然地阻止溫度的進(jìn)一步升高。與其他冷卻系統(tǒng)相比，基于PCM的BTMS由于其低成本和高儲(chǔ)能能力而被認(rèn)為是電動(dòng)汽車BTMS中有吸引力的選擇。幾十年來，在將PCM用于電動(dòng)汽車的BTMS方面進(jìn)行了許多工作。在現(xiàn)有的各種PCM物質(zhì)中，石蠟基PCM材料因其儲(chǔ)能大、無毒、穩(wěn)定性好、無過冷效應(yīng)而被廣泛應(yīng)用。Greco等人通過電化學(xué)和熱模擬對(duì)石蠟基PCM的冷卻性能進(jìn)行了數(shù)值研究。他們發(fā)現(xiàn)石蠟與石墨材料一起壓縮可以防止溫度升高，并保持電池組內(nèi)部的溫度均勻性。Dincer等人通過改變其寬度(3mm, 6mm和12mm)來研究PCM冷卻的效果。他們?cè)?C放電條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)整合PCM后電池溫度降低了5K。在另一項(xiàng)研究中，Rao等人將PCM包裹在鋰離子電池周圍，研究了在5C放電條件下，有PCM和沒有PCM對(duì)鋰離子電池熔點(diǎn)和導(dǎo)熱系數(shù)的影響。他們發(fā)現(xiàn)，集成PCM后，電池溫度從60K降低到50K。Jiang等通過加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨，提高了石蠟基PCM的導(dǎo)熱性。他們發(fā)現(xiàn)，加入石墨烯材料后，PCM的導(dǎo)熱性顯著提高。Pan等研究了在石蠟基PCM中加入銅纖維/石蠟復(fù)合材料后PCM的導(dǎo)熱性。他們發(fā)現(xiàn)整個(gè)電池組的溫度均勻性保持在2°C的最大差異。wjingwen Weng等通過實(shí)驗(yàn)研究了不同厚度的PCM對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。測試結(jié)果表明，厚度為10mm的PCM表現(xiàn)出了理想的性能，并保持了整個(gè)模塊的溫度均勻性。許多研究都是通過添加復(fù)合材料來提高PCM的導(dǎo)熱性。本文嘗試通過改變電池模塊的形狀來研究PCM的熱行為。對(duì)矩形、圓形、六邊形等不同布局的電池進(jìn)行了計(jì)算分析。

02  電池布局及熱分析控制方程 

本研究選用的電池為18650鋰離子電池，電池整體規(guī)格及尺寸見表1。在這項(xiàng)工作中，為各種布局設(shè)計(jì)的模塊將容納24個(gè)或更多的單元。表1 電池參數(shù)

電池布局

在矩形布局的情況下，設(shè)計(jì)了兩種模塊，一種是8*3矩陣模型，另一種是6*4矩陣模型。8*3和6*4模塊的總截面尺寸分別為200 × 102 × 60mm和150 × 136 × 60mm。圓形和六角形布局設(shè)計(jì)的整體尺寸分別為150 × 60mm和90mm(每邊)× 60mm。各型號(hào)電池模塊總體二維設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 電池布局

熱分析控制方程

PCM模塊內(nèi)部的熱量分布隨時(shí)間的變化而變化，因此采用如下隨時(shí)間變化的非線性傳熱方程(1)。其中q為由Bernadi方程(2)得到的產(chǎn)熱率，k、Cp和ρ為石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度如表2所示。

其中I為通過電池的電流，Vb為單個(gè)電池單體的有效體積，T為電池溫度，dU0/dT為與電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，稱為溫度系數(shù)。內(nèi)阻可設(shè)為0.04Ω，溫度系數(shù)可設(shè)為0.01116V。

邊界條件是通過PCM模塊外表面的對(duì)流熱通量。對(duì)流通量可采用方程(3)進(jìn)行分析，式中T為對(duì)流流體溫度，h為周圍流體的對(duì)流換熱系數(shù)。表2 材料參數(shù)

03  結(jié)果和討論

圖2為運(yùn)行數(shù)小時(shí)后(8×3)布置得到的最高溫度，運(yùn)行6小時(shí)后的溫度等值線圖如圖3所示。電池模塊工作1小時(shí)的最高溫度為29.239℃，連續(xù)工作2小時(shí)的最高溫度為34.966℃。同樣，在電池模塊的操作中，發(fā)現(xiàn)在工作6小時(shí)達(dá)到51.38°C的最高溫度。蓄電池核心區(qū)域的最高溫度如圖等高線圖所示。這種情況背后的主要原因是核心區(qū)域周圍的空氣循環(huán)減少，從而導(dǎo)致熱量積聚。獲得的最高溫度在石蠟熔點(diǎn)以下，不會(huì)影響電池的性能。

圖2 8×3模塊溫度分布

圖3 8×3模塊溫度等高線圖

圖4為電池模塊運(yùn)行各小時(shí)后得到的最高溫度，圖5為運(yùn)行6小時(shí)后的溫度等高線圖。在矩形矩陣模型(6×4)的熱分析中，電池模塊工作1小時(shí)的最高溫度為30.325℃，連續(xù)工作2小時(shí)的最高溫度為37.214℃。同樣，在電池模塊的操作中，發(fā)現(xiàn)在工作6小時(shí)達(dá)到55.95°C的最高溫度。此時(shí)電池模塊核心部分溫度最高，溫差約為25℃。與以前的布局相比，該布局在運(yùn)行6小時(shí)后顯示溫度增加4°C。

圖4 溫度分布6×4模塊

圖5 溫度等高線圖6×4模塊

圖6顯示了圓形電池模塊在不同工作時(shí)間的溫度分布。圖7為運(yùn)行6小時(shí)后對(duì)應(yīng)的溫度曲線圖。運(yùn)行一小時(shí)后可達(dá)到33.4℃左右的最高溫度。同樣，運(yùn)行2、3、4、5、6小時(shí)后的最高溫升分別為43℃、50℃、57.2℃、62.7℃、67.1℃左右。與其他布局相比，圓形布局顯示核心區(qū)域周圍的最高溫度約為67.1°C。這種設(shè)計(jì)雖然容納了31個(gè)電池，但它顯示了最大的熱量積累，這將導(dǎo)致電池?fù)p傷。另一方面，與其他類型的布局相比，電池端子之間的布線連接非常復(fù)雜。這將導(dǎo)致電池模塊短路，最終導(dǎo)致電池爆炸。

圖6 圓形模塊的溫度分布

圖7 圓形模塊溫度等高線圖

圖8為六角形電池模塊各工作小時(shí)的最高溫度分布，相應(yīng)的溫度等高線圖如圖9所示。運(yùn)行一小時(shí)后，最高溫度約為32.9°C。同樣，運(yùn)行2、3、4、5、6小時(shí)后的最高溫升分別為41.9℃、49℃、55.2℃、59.5℃、63.3℃左右。與圓形布局相比，六邊形布局的溫度分布幾乎相同，最大溫度偏差約為4°C。在這種情況下，也如溫度等高線圖所示，最高溫度在核心區(qū)周圍獲得。結(jié)果表明，由于對(duì)流的作用，電池模塊最外層比核心區(qū)域冷卻得更快。

圖8 六邊形模塊的溫度分布

圖9 六邊形模塊溫度等高線圖

   04  不同布局類型的對(duì)比分析  

圖10為各工況下電池模塊運(yùn)行后各布局的綜合溫度分布圖。所得到的趨勢表明，在所有情況下，最高溫度都在電池的核心區(qū)域周圍獲得。在測試的電池模塊中，8*3模塊在瞬態(tài)運(yùn)行6小時(shí)后，最低溫度在51℃左右。所得溫度遠(yuǎn)低于石蠟的熔點(diǎn)，是可行的溫度。然后，這種設(shè)計(jì)伴隨著最多數(shù)量的電池，有效地散熱。在進(jìn)一步的研究中，將泡沫銅、石墨烯粉、鋁等納米顆粒加入石蠟中，進(jìn)一步提高石蠟的導(dǎo)熱性能。

圖10 電池模塊不同布局的溫度分布

05  結(jié)    論 

本文嘗試研究了不同布局下的溫度分布。在1C放電條件下，對(duì)電池模塊在不同運(yùn)行時(shí)間下進(jìn)行熱分析。得到的測試結(jié)果表明，對(duì)于整個(gè)電池模塊而言，電池核心區(qū)域周圍的溫度最高。最終測試結(jié)果表明，8*3矩形布局的電池模塊在運(yùn)行6小時(shí)后表現(xiàn)出更好的性能，最高溫升為55.9℃。其他布局的最高溫升分別為67.1℃、63.3℃、6*4矩形布局的最高溫升分別為57.6℃。結(jié)果表明，8*3模塊散熱效率高，得到的最高溫度遠(yuǎn)低于石蠟的熔點(diǎn)。此外，與其他布局相比，該模塊可容納更多的電池單元，從而提高了電池組的能量密度。在進(jìn)一步的工作中，可通過添加石墨烯、泡沫銅和泡沫鋁等各種納米顆粒，進(jìn)一步提高石蠟的導(dǎo)熱性。