基于CPCM-液冷-翅片耦合作用的锂电池高温散热性能研究

张 群1,尚小标1,2,3,王文博1,范会丽1,王先锋1

(1.昆明理工大学 机电工程学院, 昆明 650500; 2.非常规冶金教育部重点实验室, 昆明 650093;3.微波能工程应用及装备技术国家地方联合工程实验室, 昆明 650093)

摘要:针对锂离子电池组工作温度过高或温差过大将导致其容量和寿命降低的问题,设计了一种新型的复合相变材料(CPCM)/液冷/翅片耦合散热系统。通过数值模拟,分析了高温环境(38 ℃)、高倍率循环充放电时,冷却液流向、石蜡中膨胀石墨(EG)的百分含量及冷却液流速对该系统散热性能的影响。结果表明,在相变材料(PCM)冷却基础上,引入液冷和散热翅片使电池组的最高温度进一步降低了35.74 ℃。冷却液交错流比同向流冷却电池组的最高温度降低了1.66 ℃、最大温差降低了3.15 ℃,电池温度分布更加均匀。在石蜡中添加EG后系统散热性能有明显提升,EG百分含量为6% 时散热性能最好。冷却液流速从0.10 m/s增加到0.20 m/s时,电池组的最高温度降低了2.68 ℃、最大温差降低了2.22 ℃;继续增大流速,散热性能提升不显著。

关键词:锂动力电池组;数值模拟;相变材料;耦合散热;性能分析

0 引言

锂离子电池具有密度高、使用寿命长、无记忆等优点,在电动汽车中得到广泛应用[1]。锂离子电池对温度变化敏感,最佳工作温度范围为20~50 ℃,最大温差小于5 ℃[2-3]。如果电池温度和温差超过上述范围,将导致其容量衰减和循环寿命降低,严重时甚至有热失控(电池最高温度超过60 ℃)的威胁[4]。由此可见,为确保锂离子电池工作温度维持在安全范围内,对其进行热管理是非常有必要的。

根据冷却介质类型的不同,锂离子电池散热方式有风冷[5-6]、液冷[7-8]、热管冷却[9]、PCM冷却[10-11]及上述冷却方式进行耦合组成的复合冷却。风冷具有结构简单、质量轻等优点,但较低的冷却效率阻碍了其发展[12]。液冷具有较好的冷却性能,已广泛应用于电动汽车行业。但存在结构复杂、能耗高、均温性差等缺点[13]。热管冷却被认为是一种有潜力的冷却方式,但存在安装复杂、价格昂贵等缺点,阻碍了其应用[14-15]。PCM冷却为一种零能耗冷却方式,具有成本低、均温性能好、几何形状多变等优点,在电池热管理系统中具有良好的应用前景。Hallaj等[16]首次将PCM用于电池热管理中,发现PCM在融化过程中能将电池产生热量以潜热的形式储存起来,具有很好的控温效果。Huang等[17]通过仿真与实验相结合的方法,验证了PCM热物性参数对电池散热性能的影响,发现高潜热和高热导率的PCM可以更好的控制电池最高温度和温差。尹少武等[18]研究了相变材料填充厚度对电池热管理性能的影响,发现PCM填充的最佳厚度为4 mm。鉴于此,本文中相变材料的填充厚度取4 mm。

然而,PCM存在最大的缺点就是导热系数低。针对PCM导热系数低的问题,可以通过在PCM中添加EG、金属泡沫、金属翅片等来提高其热导率。由于金属泡沫和金属翅片密度较大,会大幅增加电池组质量,难以满足电池组轻量化的要求;而EG具有导热系数高、稳定性好、密度小等优点,因此被众多学者所研究。Jiang等[19]通过熔融共混法制备了由石蜡/EG组成的CPCM,发现石蜡中加入EG可以显著提高其传热性能;CPCM融化后的泄漏量随EG质量分数的增加而减小。刘巨臻等[20]通过实验发现,在石蜡中加入20%的EG制成的复合材料,其导热系数是石蜡的53倍;在1C放电倍率下,复合材料冷却电池模组中电池最高温度为37.4 ℃。

以上研究表明,添加EG后的PCM传热性能增强,具有良好的热管理能力。但是,随着放电倍率增加、环境温度升高以及充放电时间变长,PCM的有限潜热不能完全吸收电池产热,最终会导致其全部融化而丧失热管理能力。这可能是PCM冷却未被广泛应用在电动汽车行业中的一个重要原因。Liu等[21]采用实验和数值模拟相结合的方法,发现锂电池4C高倍率放电下,相变冷却的电池组最高温度达到了55.9 ℃,超出电池安全工作范围。吴学红等[22]通过实验发现,在高温(40 ℃)情况下,PCM冷却无法将电池组温度控制在安全范围内。路铃等[23]通过CFD仿真发现,锂电池高倍率循环充放电过程中,PCM冷却下的电池最高温度高达53.5 ℃。

将被动PCM冷却与主动冷却(如液体冷却)相结合的复合冷却,可以有效地解决上述问题。黄菊花等[24]通过数值仿真,对锂电池高倍率放电时的散热性能进行了计算。结果表明,采用PCM-水套式液冷耦合冷却,5C高倍率放电时电池组表面最高温度和电池之间的最大温差均维持在安全工作范围内。但其研究仅对单次放电进行了计算,循环充放电下的散热性能有待研究。An等[25]通过数值模拟,对18650型圆柱电池连续充放电时的散热性能进行研究。结果表明,CPCM/液冷复合冷却能将电池温度在充放电循环过程中控制在安全范围内。但是该散热系统结构复杂,且质量较大,难以满足电池组轻量化的要求。杨梓堙[26]研究表明,在1.5C放电-1C充电循环中,PCM冷却的电池模组最高温度达到了86.19 ℃;PCM/液冷复合冷却的电池模组最高温度始终控制在安全范围内。但仅对低倍率连续充放电下的散热性能进行了计算,高倍率连续充放电下的散热性能仍需进一步提升。

通过以上研究不难发现,传统冷却方式存在冷却效率低、能耗高及均温性差等缺点。PCM冷却是一种良好的锂离子电池温度控制方式,但单一PCM冷却存在锂电池多次充放电循环时,其潜热会完全耗尽而失去热管理能力的缺点。针对以上不足,本文中提出了一种CPCM/液冷/翅片耦合散热系统,并在高温环境、循环充放电工况下,对其散热性能进行研究。

1 物理模型

以某公司生产的三元方形锂离子软包电池为研究对象,基本参数如表1所示[27]。将6块单体电池串联组成电池组,采用EG/石蜡制成的CPCM(EG百分含量0%时为石蜡PCM)、液冷和散热翅片对电池进行冷却。相邻单体电池之间间隙为4 mm,采用CPCM进行填充。设计一种新型串并联液冷管,管道内径2 mm、外径3 mm,并将其放置在相变材料内部进行冷却,以提升电池组体积能量密度。电池组两侧添加散热翅片,进行辅助散热,翅片厚2 mm、长10 mm。液冷管和散热翅片材料为金属铝,冷却液为液态水。通过改变CPCM、液冷管和散热翅片的布置方式组成不同冷却方式,并对其进行散热性能进行比较。不同冷却模型示意图与尺寸参数如图1所示。

表1 锂电池基本参数

Table1 Basic parameters of lithium battery

参数数值质量/g500标称容量/Ah24标称电压/V3.6充电截至电压/V4.2放电截至电压/V2.5最大充电电流/A24(1C)最大放电电流/A72(3C)直流内阻/mΩ2.86~6.21外形尺寸/mm240×150×7.2(长×高×厚)最佳工作温度/℃20~50

图1 电池组散热模型示意图

Fig.1 Schematic diagram of battery pack heat dissipation model

2 数值模型

2.1 锂电池产热模型

由于锂电池内部结构复杂,故在建立产热模型之前,需忽略一些对结果影响较小的因素。本文中对所研究的锂电池做出如下假设[27]:

1) 电池充放电时各部分产热均匀;

2) 锂电池内部各项热物性参数为常数,不随温度的变化而变化;

3) 忽略电池极耳、辐射换热的影响。

基于以上假设,锂电池热效应方程为[27]

(1)

式(1)中:ρCpT分别为电池密度、比热容、温度;λxλyλz为3个方向上的导热系数;q为电池生热速率。

电池生热速率采用Bernardi等[28]提出的电池单位体积生热速率模型,表达式为

(2)

式(2)中:I为充/放电流;V为单体电池体积;U为电池开路电压;U0为电池负载电压;Tb为电池初始温度;dU0/dTb为电压随温度的变化系数。

2.2 流体模型

对于液冷管中的冷却液流体,其质量、能量和动量守恒方程为[25]

(3)

(4)

(5)

式(3)—式(5)中:分别为冷却液的密度、比热容、温度、导热系数、冷却液流速、静压力。

2.3 CPCM模型

不同EG百分含量的CPCM热物性参数如表2所示[29]。采用FLUENT中基于焓法原理的Solidification/Melting模型求解相变问题,为了仿真模拟方便,对CPCM做出如下假设:

表2 CPCM热物性参数

Table 2 Thermal physical parameters of CPCM

材料比热容/(J·(kg·K)-1)潜热/(J·kg-1)热导率/(W·(m·K) -1)熔点/℃PCM(0% EG)2 000255 0000.2044CPCM(6% EG)1 926239 7001.2344CPCM(12% EG)1 852224 4005.7444CPCM(20% EG)1 754204 00010.144CPCM(30% EG)1 631178 50013.8544

1) CPCM的各项热物性参数在融化前后保持一致;

2) 忽略CPCM由固态变成液态过程中的体积变化;

3) 忽略辐射换热的影响。

基于以上假设,CPCM区域的能量方程为[29]

(6)

HCPCM=CCPCMdT+βL

(7)

(8)

式(6)—式(8)中:ρCPCMHCPCMKCPCM分别为CPCM的密度、焓和热导率;T0TCCPCM分别为环境温度、CPCM的温度和比热容;L为相变潜热; β为CPCM液相分数。

2.4 电池模组热物性参数

电池、液冷管道、散热翅片、冷却液热物性参数如表3所示。

表3 电池模组相关热物性参数

Table 3 Battery module related thermal property parameters

参数电池[27]液冷管道/导热翅片冷却液密度/(kg·m-3)1 9292 719998.2比热容/(J·(kg·K)-1)1 2008714 182导热系数/(W·(m·K)-1)λx=λy=32,λz=1202.40.6动力粘度/(kg·(m·s)-1)0.001 003

2.5 初始设置和边界条件

数值模型的初始状态指定为[25]

t=0; T(x,y,z)=T0

(9)

式(9)中:T0为环境温度,设置为38 ℃。

电池和CPCM、CPCM与散热翅片和电池与散热翅片的交界面上的边界条件为[25]

(10)

(11)

(12)

式(10)—式(12)中:KbKAlKCPCM分别为电池、金属铝和CPCM的热导率;∂T/n为温度梯度。

电池组表面与周围环境采用自然对流冷却边界条件,对流换热公式为[30]

q=h(T-T0)

(13)

式(13)中:q为热流密度;h为对流换热系数;T为电池组表面温度;T0为环境温度。

为研究电池在恶劣条件下的散热性能,除电池产热模型验证时系统温度为25 ℃,后续计算中系统温度均为38 ℃。自然对流换热系数取2 W/(m2·K)[27]。本文中冷却液最大流速为0.3 m/s,根据雷诺数计算公式得出Re=299.46<2 300,选择层流模型进行计算。冷却液入口条件为速度入口,冷却液出口条件为压力出口。以上边界条件均在商用软件ANSYS/FLUENT中设定。

2.6 电池产热模型可靠性验证

为了验证电池产热与传热模型可靠性,在25 ℃自然对流环境中,对单体电池3C放电工况下进行模拟计算,将电池表面平均温度的模拟结果与实验结果[27]进行对比,对比结果如图2所示。由图2可知,电池温升模拟值与实验值吻合度较好,相对误差在3%以内,故电池产热与传热模型可靠,可以用于电池组散热仿真计算。

图2 电池表面平均温度模拟值与实验值对比曲线

Fig.2 Comparison curve between simulated and experimental values of average surface temperature of batteries

3 结果与讨论

3.1 网格无关性验证

为了确保计算结果的准确性,对PCM/液冷/翅片冷却模型采用多面体网格进行网格单元划分,在流固接触壁面上加密网格保证流动边界层的计算精度,网格划分模型如图3所示。对电池模组分别离散为2 692 130、3 097 896、3 589 213、4 012 697共4种不同网格单元数量进行1C充电-3C放电计算,结果如图4所示。从图4中电池组最高温度和最大温差随电池模组离散单元数目变化曲线可以看出,当网格单元数目大于3 589 213时,电池组最高温度和最大温差的计算结果基本不随离散单元网格数目变化而变化,因此选用网格单元数3 589 213进行计算。

图3 电池组网格模型

Fig.3 Battery string grid model

图4 电池组温度随离散网格单元数量变化曲线

Fig.4 The curves of battery temperature with the variation of number of the discrete grid element

3.2 不同冷却方式的比较

为模拟电池组在极端工况下的散热性能,电池间隙中填充石蜡PCM(EG百分含量为0%),电池运行工况为:先1C充电3 600 s,然后3C放电1 200 s,进行连续2次充放电循环(以下研究中电池运行工况一致)。电池组在PCM冷却、PCM-液冷(冷却液流向如图6(a)所示,流速0.1 m/s)复合冷却、PCM-液冷(同上)-翅片复合冷却3种不同冷却方式下,电池组最高温度如表4所示。由表4可知,PCM冷却方式下电池组最高温度高达87.66 ℃,远超出安全工作的范围。这主要是由于PCM相变潜热被消耗完后丧失控温能力,导致电池温度急剧升高。相比PCM冷却,PCM/液冷复合冷却可将电池组最高温度降低30.59 ℃。这主要是由于液冷的加入,能及时将PCM吸收的热量带走,使PCM潜热快速恢复,延长了PCM的控温时间。相比PCM/液冷复合冷却,PCM/液冷/翅片复合冷却可将电池组最高温度进一步降低5.28 ℃。这主要是电池和PCM通过与翅片的接触,增加了电池组与空气的对流换热面积,使电池温度进一步降低。图5为电池循环充放电结束时温度分布云图。由图5可知,电池组最高温度主要集中在中间电池上,这主要是因为电池在径向方向上热导率小,无法及时将产生的热量向外扩散低所导致。

表4 不同冷却方式下电池组最高温度

Table 4 Maximum temperature of battery packs in different cooling modes

冷却方式电池组最高温度/℃PCM冷却87.66PCM/液冷复合冷却57.20PCM/液冷/翅片复合冷却51.92

图5 不同冷却方式下电池组充放电结束时温度分布云图

Fig.5 Temperature distribution cloud image of battery pack at the end of charging and discharging under different cooling methods

图6 不同冷却液流向示意图

Fig.6 Diagram of different coolant flow directions

由以上分析可知,当锂电池在极端工况下使用时,PCM冷却将导致电池发生热失控,添加液冷和翅片后能大幅降低电池温度,减小了发生热失控的概率。故将PCM冷却和主动冷却结合组成复合冷却是非常有必要的。

3.3 冷却液流向对散热的影响

为了研究冷却液流向对散热的影响,电池间隙中填充石蜡PCM(EG百分含量为0%),冷却液流速设置为0.1 m/s,分别对冷却液同向流和交错流冷却(如图6所示)电池组循环充放电散热进行计算。电池组最高温度和最大温差随时间的变化曲线如图7所示。

图7 不同冷却液流向下电池组温度随时间的变化曲线

Fig.7 Curve of battery pack temperature with time under different coolant flow directions

由图7可知,循环充放电过程中,电池组最高温度和最大温差均发生在第2次放电结束时。冷却液同向流下电池组最高温度为51.92 ℃,最大温差为8.24 ℃;冷却液交错流下电池组最高温度为50.26 ℃,最大温差为5.09 ℃。

图8为电池组循环充放电结束时温度分布云图。由图8可知,同向流下电池轴向温差较大,交错流下电池温度分布更加均匀。基于以上分析可知,交错流散热效果明显优于同向流,故选择交错流进行后续研究。

图8 不同冷却液流向下电池组充放电结束时温度分布云图

Fig.8 Cloud diagram of temperature distribution at the end of battery pack charging and discharging under different coolant flow directions

3.4 EG百分含量对散热的影响

为研究EG百分含量对散热的影响,冷却液流速0.1 m/s交错流下,电池间隙中填充EG/石蜡制成的CPCM,其中EG百分含量分别为0%、6%、12%、20%及30%,对电池组循环充放电散热进行计算,电池组最高温度和最大温差随EG百分含量变化曲线如图9所示。EG百分含量分别为0%、6%、12%、20%及30%时,电池组在循环充放电时最高温度分别为50.26、46.46、46.17、46.84、47.77 ℃,最大温差分别为5.09、5.77、6.25、6.89、8.1 ℃。由此可见,在石蜡中添加EG百分含量为6%~20%时显著降低了电池组温度,最高温度均在46 ℃左右。这主要是随着相变材料的热导率增大,热量传递的更快,被冷却液交换带走的热量更多,使电池组温度降低,但会导致电池组温差变大。当EG百分含量为30%时,最高温度升高到47.77 ℃。这主要是随着EG百分含量的增加,CPCM的比热容和潜热降低,导致其储热能力下降。

图9 不同EG百分含量下电池组温度的变化曲线

Fig.9 Temperature curves of battery packs with different EG contents

由以上分析可知,在石蜡中加入EG,可将电池组最高温度控制在安全工作范围内,且EG百分含量为6%时最大温差最小,故在石蜡中添加6% 的EG为最优选择。

3.5 冷却液流速对散热的影响

为了研究冷却液流速对散热的影响,电池间隙中填充EG百分含量为6%的CPCM,冷却液交错流,冷却液入口流速从0.10 m/s增至0.30 m/s(单次增加0.05 m/s),对电池组循环充放电散热进行计算,电池组在不同流速下的最高温度和最大温差如图10所示。

图10 不同冷却液流速下电池组温度的变化

Fig.10 Temperature change of battery pack at different coolant flow rates

由图10可知,冷却液流速为0.1 m/s时,电池组最高温度为46.46 ℃、最大温差为5.77 ℃,温差超出安全范围。冷却流速增加至0.20 m/s时,电池组最高温度为43.78 ℃、最大温差为3.55 ℃,均在安全范围内。继续增大冷却液流速,最高温度和最大温差下降缓慢,分别维持在43.75 ℃左右和3.50 ℃左右。由此可知,随着冷却液流速的增加,电池组最高温度和最大温差均随之降低,这主要是随着冷却液流速增加,相同时间内带走的热量更多;当冷却液流速为0.20 m/s时达到换热平衡,继续增大流速,散热效果无明显改善,反而会消耗更多泵功。

不同冷却液流速下CPCM液相分数随时间的变化曲线如图11所示。冷却液流速为0.10 m/s时,循环充放电结束时CPCM液相分数为0.86;冷却液流速增加到0.20 m/s时,循环充放电结束时CPCM液相分数降低了0.36,且在第2次放电前降至0.01,CPCM潜热基本完全恢复,有效解决了循环工况下潜热耗尽而失去热管理能力的缺点。继续增加到0.30 m/s时,循环充放电结束时CPCM 液相分数降至0.39。由此可知,冷却液流速越大,CPCM的液相分数越小,泄露的风险也越低。

图11 不同冷却液流速下CPCM液相分数随时间的变化曲线

Fig.11 The variation curve of CPCM liquid fraction over time under different coolant flow rates

综上所述:在满足电池组散热要求的前提下,为减小液冷消耗的泵功及加快CPCM潜热的恢复,冷却液流速选择0.20 m/s较优。

4 结论

1) 电池组循环充放电过程中,PCM冷却的电池组最高温度高达87.66 ℃,加入液冷和散热翅片后电池组最高温度降低了35.74 ℃。

2) 在石蜡中添加EG后系统散热性能有明显提升,EG百分含量为6% 时散热性能最好。

3) 冷却液流向和流速对电池组散热性能影响明显。冷却液交错流比同向流冷却电池组的最高温度和最大温差分别降低了1.66 ℃和3.15 ℃,交错流冷却具有更好的散热性能。冷却液流速从0.10 m/s增加到0.20 m/s时,电池组最高温度降低了2.68 ℃、最大温差降低了2.22 ℃;继续增大流速,散热性能提升不显著。

4) CPCM/液冷/翅片复合冷却下,当EG百分含量为6%、冷却液0.2 m/s交错流时,可将锂离子电池组最高温度和最大温差分别降至43.78 ℃和3.55 ℃。

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Heat dissipation performance of lithium battery at high temperaturebased on CPCM-liquid cooling-fin coupling

ZHANG Qun1, SHANG Xiaobiao1,2,3, WANG Wenbo1, FAN Huili1, WANG Xianfeng1

(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;2.Key Laboratory of Non-Conventional Metallurgy, Ministry of Education, Kunming 650093, China;3.National and Local Joint Engineering Laboratory of Microwave Energy Engineering Application and Equipment Technology, Kunming 650093, China)

Abstract: A new type of composite phase change material (CPCM)/liquid cooling/fin coupled cooling system was designed to address the issue of excessive operating temperature or temperature gradient leading to reduced capacity and lifespan of lithium-ion battery packs.Through numerical simulation, the effects of coolant flow direction, the percentage of expanded graphite (EG) in paraffin wax and the velocity of coolant on the heat dissipation performance of the system were analyzed under high temperature environment (38 ℃) and high-rate cycle charging and discharging. The results show that the maximum temperature of the battery pack is further reduced by 35.74 ℃ after the introduction of liquid cooling and heat fin on the basis of the PCM cooling. Compared with the same-flow cooling of the battery pack, the maximum temperature and maximum temperature difference decreased by 1.66 ℃ and 3.15 ℃, respectively, and the temperature distribution of the battery is more uniform. The heat dissipation performance of the system has been significantly improved after the addition of EG in paraffin wax, and the heat dissipation performance is the best when the percentage of EG is 6%.When the coolant flow rate increases from 0.10 m/s to 0.20 m/s, the maximum temperature and maximum temperature difference of the battery pack decrease by 2.68 ℃ and 2.22 ℃ respectively. As the flow rate continues to increase, the heat dissipation performance is not significantly improved.

Key words:lithium power battery pack; numerical simulation; phase change material; coupled heat dissipation; performance analysis

收稿日期:2023-05-16;修回日期:2023-06-02;录用日期:2023-07-15

作者简介:张群(1999—),男,硕士研究生,E-mail:1499505940@qq.com。

通信作者:尚小标(1987—),男,博士,副教授,硕士生导师,E-mail:shang21st@163.com。

doi: 10.11809/bqzbgcxb2024.04.010

本文引用格式:张群,尚小标,王文博,等.基于CPCM-液冷-翅片耦合作用的锂电池高温散热性能研究[J].兵器装备工程学报,2024,45(4):82-89.

Citation format:ZHANG Qun, SHANG Xiaobiao, WANG Wenbo, et al.Heat dissipation performance of lithium battery at high temperature based on CPCM-liquid cooling-fin coupling[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2024,45(4):82-89.

中图分类号:TM912

文献标识码:A

文章编号:2096-2304(2024)04-0082-08

科学编辑 曾小华 博士(吉林大学 教授、博导)

责任编辑 唐定国