电动车用相变材料电池模块不同布局的数值研究

 摘    要   

由于污染的增加和全球变暖，汽车工业的未来正朝着汽车电气化的方向发展。在研究中，需要将合适的电池热管理系统(BTMS)纳入电池的实际运行中。温度对电池的性能影响很大，控制好温度可以提高电池的性能，保证电池的安全运行，延长电池的使用寿命。近年来，相变材料在BTMS中的应用得到了广泛的研究。由于相变材料是被动冷却系统，它不需要任何额外的电源为其运行。目前的研究是试图通过改变石蜡基PCM材料的形状和电池间距来优化PCM电池。本文对不同形状电池模块的热性能进行了计算分析。对矩形、圆形、六边形等不同布局的电池进行了计算分析。最终测试结果表明，8*3矩形布局的电池模块在运行6小时后表现出更好的性能，最高温升为55.9℃。其他布局的最高温升分别为67.1℃、63.3℃、6*4矩形布局的最高温升分别为57.6℃。

01  前    言 

由于化石燃料的迅速枯竭和严格排放标准的采用，需要找到一种新的技术来解决全球这一问题。近年来，由于全球气温的升高，世界上开始采用混合动力汽车、插电式混合动力汽车和电池供电的电动汽车。电动汽车似乎是解决这些全球环境问题的有前途的技术，它被认为是零排放车辆。电池组被认为是电动汽车的主要电源，但它对温度非常敏感，并且影响电池的寿命和性能。在过去的几十年里，锂离子电池似乎是一种很有希望用于电动汽车的电源。尽管锂离子电池具有高能量密度和较长的使用寿命，但随着寿命的延长，会导致热失控，最终导致爆炸。因此，电池温度起着主导作用，它决定着电池的性能。电池在超过工作范围的高温下工作，会导致电池的破坏和寿命降低[。在另一种情况下，电池在低于0℃的低温环境下工作，会导致电池输出电压降低，电池充电减少。之前的许多研究表明，锂离子电池在低于40°C的温度下有效工作，电池芯温度差小于5°C。相变材料被认为是被动热管理系统，与主动热管理系统相比，它不需要任何动力元件来运行。相变材料由于其相变现象，吸收充放电过程中产生的热量，自然地阻止温度的进一步升高。与其他冷却系统相比，基于PCM的BTMS由于其低成本和高储能能力而被认为是电动汽车BTMS中有吸引力的选择。几十年来，在将PCM用于电动汽车的BTMS方面进行了许多工作。在现有的各种PCM物质中，石蜡基PCM材料因其储能大、无毒、稳定性好、无过冷效应而被广泛应用。Greco等人通过电化学和热模拟对石蜡基PCM的冷却性能进行了数值研究。他们发现石蜡与石墨材料一起压缩可以防止温度升高，并保持电池组内部的温度均匀性。Dincer等人通过改变其宽度(3mm, 6mm和12mm)来研究PCM冷却的效果。他们在2C放电条件下进行了实验，发现整合PCM后电池温度降低了5K。在另一项研究中，Rao等人将PCM包裹在锂离子电池周围，研究了在5C放电条件下，有PCM和没有PCM对锂离子电池熔点和导热系数的影响。他们发现，集成PCM后，电池温度从60K降低到50K。Jiang等通过加入不同质量分数的石墨，提高了石蜡基PCM的导热性。他们发现，加入石墨烯材料后，PCM的导热性显著提高。Pan等研究了在石蜡基PCM中加入铜纤维/石蜡复合材料后PCM的导热性。他们发现整个电池组的温度均匀性保持在2°C的最大差异。wjingwen Weng等通过实验研究了不同厚度的PCM对导热系数的影响。测试结果表明，厚度为10mm的PCM表现出了理想的性能，并保持了整个模块的温度均匀性。许多研究都是通过添加复合材料来提高PCM的导热性。本文尝试通过改变电池模块的形状来研究PCM的热行为。对矩形、圆形、六边形等不同布局的电池进行了计算分析。

02  电池布局及热分析控制方程 

本研究选用的电池为18650锂离子电池，电池整体规格及尺寸见表1。在这项工作中，为各种布局设计的模块将容纳24个或更多的单元。表1 电池参数

电池布局

在矩形布局的情况下，设计了两种模块，一种是8*3矩阵模型，另一种是6*4矩阵模型。8*3和6*4模块的总截面尺寸分别为200 × 102 × 60mm和150 × 136 × 60mm。圆形和六角形布局设计的整体尺寸分别为150 × 60mm和90mm(每边)× 60mm。各型号电池模块总体二维设计如图1所示。

图1 电池布局

热分析控制方程

PCM模块内部的热量分布随时间的变化而变化，因此采用如下随时间变化的非线性传热方程(1)。其中q为由Bernadi方程(2)得到的产热率，k、Cp和ρ为石蜡的导热系数、比热和密度如表2所示。

其中I为通过电池的电流，Vb为单个电池单体的有效体积，T为电池温度，dU0/dT为与电化学反应有关的参数，称为温度系数。内阻可设为0.04Ω，温度系数可设为0.01116V。

边界条件是通过PCM模块外表面的对流热通量。对流通量可采用方程(3)进行分析，式中T为对流流体温度，h为周围流体的对流换热系数。表2 材料参数

03  结果和讨论

图2为运行数小时后(8×3)布置得到的最高温度，运行6小时后的温度等值线图如图3所示。电池模块工作1小时的最高温度为29.239℃，连续工作2小时的最高温度为34.966℃。同样，在电池模块的操作中，发现在工作6小时达到51.38°C的最高温度。蓄电池核心区域的最高温度如图等高线图所示。这种情况背后的主要原因是核心区域周围的空气循环减少，从而导致热量积聚。获得的最高温度在石蜡熔点以下，不会影响电池的性能。

图2 8×3模块温度分布

图3 8×3模块温度等高线图

图4为电池模块运行各小时后得到的最高温度，图5为运行6小时后的温度等高线图。在矩形矩阵模型(6×4)的热分析中，电池模块工作1小时的最高温度为30.325℃，连续工作2小时的最高温度为37.214℃。同样，在电池模块的操作中，发现在工作6小时达到55.95°C的最高温度。此时电池模块核心部分温度最高，温差约为25℃。与以前的布局相比，该布局在运行6小时后显示温度增加4°C。

图4 温度分布6×4模块

图5 温度等高线图6×4模块

图6显示了圆形电池模块在不同工作时间的温度分布。图7为运行6小时后对应的温度曲线图。运行一小时后可达到33.4℃左右的最高温度。同样，运行2、3、4、5、6小时后的最高温升分别为43℃、50℃、57.2℃、62.7℃、67.1℃左右。与其他布局相比，圆形布局显示核心区域周围的最高温度约为67.1°C。这种设计虽然容纳了31个电池，但它显示了最大的热量积累，这将导致电池损伤。另一方面，与其他类型的布局相比，电池端子之间的布线连接非常复杂。这将导致电池模块短路，最终导致电池爆炸。

图6 圆形模块的温度分布

图7 圆形模块温度等高线图

图8为六角形电池模块各工作小时的最高温度分布，相应的温度等高线图如图9所示。运行一小时后，最高温度约为32.9°C。同样，运行2、3、4、5、6小时后的最高温升分别为41.9℃、49℃、55.2℃、59.5℃、63.3℃左右。与圆形布局相比，六边形布局的温度分布几乎相同，最大温度偏差约为4°C。在这种情况下，也如温度等高线图所示，最高温度在核心区周围获得。结果表明，由于对流的作用，电池模块最外层比核心区域冷却得更快。

图8 六边形模块的温度分布

图9 六边形模块温度等高线图

   04  不同布局类型的对比分析  

图10为各工况下电池模块运行后各布局的综合温度分布图。所得到的趋势表明，在所有情况下，最高温度都在电池的核心区域周围获得。在测试的电池模块中，8*3模块在瞬态运行6小时后，最低温度在51℃左右。所得温度远低于石蜡的熔点，是可行的温度。然后，这种设计伴随着最多数量的电池，有效地散热。在进一步的研究中，将泡沫铜、石墨烯粉、铝等纳米颗粒加入石蜡中，进一步提高石蜡的导热性能。

图10 电池模块不同布局的温度分布

05  结    论 

本文尝试研究了不同布局下的温度分布。在1C放电条件下，对电池模块在不同运行时间下进行热分析。得到的测试结果表明，对于整个电池模块而言，电池核心区域周围的温度最高。最终测试结果表明，8*3矩形布局的电池模块在运行6小时后表现出更好的性能，最高温升为55.9℃。其他布局的最高温升分别为67.1℃、63.3℃、6*4矩形布局的最高温升分别为57.6℃。结果表明，8*3模块散热效率高，得到的最高温度远低于石蜡的熔点。此外，与其他布局相比，该模块可容纳更多的电池单元，从而提高了电池组的能量密度。在进一步的工作中，可通过添加石墨烯、泡沫铜和泡沫铝等各种纳米颗粒，进一步提高石蜡的导热性。