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[电池材料] 相变材料对车用动力电池组内温度分布影响数值模拟

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发表于 2021-2-20 14:21:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
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相变材料对车用动力电池组内温度分布影响数值模拟

王建1,郭航1,2,叶芳1,马重芳1
(1北京工业大学环境与能源工程学院传热强化与过程节能教育部重点实验室,传热与能源利用北京市重点实验室,北京 100124;2北京电动车辆协同创新中心,北京 100081)
摘要:温度对电动汽车锂离子电池有很重要的影响,电池温度过高时会降低电池的放电效率,加速电池寿命的衰减;冬季环境温度过低会降低电池的充电效率,缩短电动汽车的续航里程。为了使电池温度维持在合适的范围内,设计了动力电池复合相变材料热管理系统。将复合相变材料包裹在电池的外面,研究了相变材料对电池组温度场的影响。研究表明,相变潜热是最重要的物性参数,直接决定着电池组的最高温度。相变材料的热导率越大电池组的温度分布会越均匀。复合相变材料中石墨含量为25%时与纯石蜡相比可将电池组的最高温度降低2℃。在冬季,电池组有相变材料保温时,电池组的平均温度较无相变材料时高8℃。
关键词:锂离子电池;相变材料;数值模拟;温度场
引 言

锂离子电池因其高能量密度、寿命长和环境友好的特性为电动汽车所广泛使用[1],而电池性能也直接决定着电动汽车的动力性能[2-3]。锂离子电池的性能受温度的影响很大[4],在使用过程中,热量的积累和温度的升高会加速电池寿命的衰减[5],严重时会引发事故[6];温度过低时,影响电池的充放电性能[7],从而影响电动汽车的续航里程[8]。高温[9]、低温和温度不均[10]均会影响电池的使用寿命[11]。为了保证电池的高效率充放电、延长电池寿命,电池温度一般维持在20~50℃[12]的范围内,且电池内部温差不可忽视[11],因此电池组温差不能超过5℃[12],且冬季电池充电时的温度不得低于0℃[13]。

相变材料是一种当温度高于其相变温度时,将能量进行储存,当温度低于其相变温度时,将能量进行释放并加以利用的一种材料。将相变材料包裹在电池模块外部,夏季电池温度高于其相变温度时,吸收电池组放出的热量,并将其转换成相变热储存起来,使其自身发生相变,从而使电池温度降低;冬季电池组需要加热时,相变材料将其储存的相变潜热释放出来,对电池组进行加热,使其温度升高。在诸多的相变材料中,石蜡的相变潜热高、成本低、无毒无害,因此在电池冷却领域备受关注。

张江云[14]分析对比了泡沫铜/石蜡、石墨/石蜡两种复合相变材料的冷却能力。研究表明,电池大倍率放电时,在两种相变冷却模块下,电池的最高温度不高于55℃,电池组温差不超过5℃,均能满足电池组散热的需求。王子晨[15]采用实验研究的方式,对比了空气自然对流、纯石蜡以及泡沫铜/石蜡复合相变材料对电池组散热性能的影响。研究表明,泡沫铜/石蜡复合相变材料可以有力地控制电池组表面温升。复合相变材料冷却相较于自然对流冷却,电池表面温升可降低47.28%;相较于纯石蜡冷却,电池表面温升可降低19.88%。饶中浩等[16]搭建实验台,研究了相变材料对电池组散热特性的影响。结果表明,相变材料的热导率与用量是影响电池组模块最高温度及温差的重要因素。而且相变材料的热导率越大,越有利于降低电池模块的局部温差,使电池组温度分布更均匀。李钊等[17]研究了含有不同石墨质量分数的复合相变材料对电池组最高温度和电池组温差的影响。结果表明,相变材料的相变潜热是决定电池组最高温度的主要参数,当复合相变材料的量不足时,电池组最高温度急剧上升,导致电池热失控。当复合相变材料足量时,膨胀石墨含量的增多会增大复合相变材料的热导率,使电池组的温度分布更均匀。Qu等[18]将多孔铜泡沫掺入相变材料中形成复合相变材料,研究了复合相变材料散热系统在电池大功率放电时的散热特性。建立了二维电池电化学模型,相变模型,并对模拟结果做了实验验证。最终结果显示电池在1~3C的范围内放电时,电池的温度可控制在合理范围之内。Morteza等[19]采用数值模拟的方法对纯十八烷、镓及十八烷和泡沫铝复合相变材料对电池组散热效果做了研究。研究结果表明,较厚的相变材料可以吸收更多的热量,使电池组温度在低于60℃的条件下,放电时间更长;复合相变材料的扩散率越大,电池组之间温差越小,温度分布越均匀;镓及十八烷和泡沫铝组成的复合相变材料热管理系统的散热优于纯十八烷电池散热系统。

针对石蜡的低热导率,众多学者在提高其热导率方面展开了大量研究。目前,增大石蜡热导率的方法有向石蜡中添加金属材料[20]、金属翅片[21-23]、铝板[24]、石墨[25],还有学者提出将碳纤维或碳纳米管掺入到相变材料来提高其导热性能[26]。结果表明,以上方法均可使相变材料的导热性能提高几倍甚至十几倍[27],从而大大提高冷却系统的效率。

目前,动力电池相变材料热管理系统主要集中在提高相变材料的导热性能,从而降低电池组的温度上。而忽略了利用相变材料储存的热量在冬季对电池进行加热和保温。本文将建立复合相变材料对锂离子电池进行热管理的二维、瞬态模型,从对电池组的加热和冷却两个方面全面地研究相变材料对电池组温度场分布的影响。

1 模型的建立1.1 模型计算区域

本文选用的电池为180 A·h的磷酸铁锂电池,详细参数见表1,其放电电流选取的是车速为120 km·h-1时所对应的143 A[28]。利用复合相变材料对电池组进行热管理时,将其填充在电池单体的间隙中。石墨的加入会导致复合相变材料的相变潜热、热导率等一系列参数不同,含不同石墨质量分数下的复合相变材料的热物性参数如表2所示。由于电池沿厚度方向的热导率较低,本文电池的计算区域选取沿电池厚度方向的对称面的截面。相变材料用量由式(1)确定

(1)

式中,Qdis为电池释放的热量,J;c为复合相变材料的比热容,J·kg-1·K-1;Ts和Tout分别为相变温度和环境温度,℃;H为复合相变材料的相变潜热,J·kg-1。根据电动汽车车速为120 km·h-1时的产热量,计算得出所需相变材料用量为0.0015 m3,当电池单体之间的间隙为11 mm时,足以满足电池组的散热需求。模型的计算区域如图1所示。

表1 磷酸铁锂电池参数[29]
Table 1 Parameters of lithium-ion phosphate battery[29]

表2 石墨质量分数不同时复合相变材料的热物性参数[17]
Table 2 Thermophysical properties of composite phase change materials with different mass fraction of graphite[17]

图1 模型的计算区域
Fig. 1 Modle computation domain

1.2 模型假设

相变传热涉及到固液两相、自然对流等问题,是特别复杂的问题。当相变材料应用于锂离子电池热管理时,主要利用相变材料的相变潜热将电池的热量吸收或释放热量给电池。因此,不涉及相变材料内部的气液问题。为了简化计算,对模型做出了以下假设。

(1)复合相变材料内部分布均匀,热物性参数各向同性[17],相变温度点为40℃。

(2)忽略石蜡在融化过程中的体积膨胀、相变过程中的热传递,忽略自然对流的影响,相变材料内部的传热方式主要考虑热传导[17-18]。

1.3 控制方程
(2)
(3)
r= qrs+(1-q)rl (4)
(5)
(6)
k=qks+(1-q)kl (7)

式中,为电池产热中可逆热的部分,对于一般的电池可取定值11.16 mV[30];R0为电池的标称内阻,W;ρs (l)为相变材料固态(液态)密度,kg·m-3;cps(l)为相变材料固态(液态)比热容,J·kg-1·K-1;ks(l)为相变材料固态(液态)热导率,W·m-1·K-1;H为相变潜热,J·kg-1;q为固态相变材料的质量分数;Q为体热源,W·m-3

1.4 边界条件

电池箱壁面与空气发生自然对流,对流传热系数取5 W·m-2·K-1[31]。计算区域的右边线为对称线,即不存在温度梯度。系统的初始温度取值为30℃。

1.5 模型求解

本文采用有限元法对模型进行求解,为了避免元的数量对模型结果产生影响,首先对元的数量做了对比和分析。网格无关性验证选取的是边缘电池上边线上点的温度随元的数量的变化,对6种不同元的数量进行了对比。从图2中可以看出,电池温度随元的数量的增加稍有增加,且增加的幅度逐渐减小。当元的数量达到3963时,进一步增加元的数量,给电池温度带来的影响不大。因此,为了节省计算时间同时又保证计算结果的正确性,本文将选取3963作为计算的元的数量。

1.6 模型验证

李策园[29]对180 A·h锂离子电池在环境温度30℃的条件下,做了以180 A和60 A放电至放电结束时的电池温升实验,测量了电池展面中心点的温度随放电时间的变化。本模型选取与之相同的实验条件,模型结果与文献[29]实验数据对比如图3所示。

由图3可知,模拟数据与实验数据所呈现出来的温升趋势基本相同。模型数据与实验数据产生差异的原因:一方面是由于本模型中没有考虑电池余量对电阻的影响,使电池放电后期低于实验的温度。另一方面,本模型中将对流传热系数设为定值,而实验中的对流传热系数受空间扰动的影响不断变化,给模型结果带来一定的影响。但是本模型可以基本上反映出电池在放电过程中的温升情况和温升趋势,可以为电池组热管理的设计提供一些理论指导。

图2 网格无关性验证
Fig. 2 Element validation

图3 模型验证
Fig.3 Model validation

(a) discharge for 180 min at current of 60 A; (b) discharge for 60 min at current of 180 A
1.7 纯石蜡对电池温度场分布的影响

图4给出的是电池放电截止时,电池组和相变材料的温度分布情况。从图4(a)中可以看出电池单体的温度呈椭圆形分布,电池单体中心的温度最高,边缘地方的温度最低。这是相变材料与电池直接接触导致的结果。由于相变材料的热导率较低,只有0.16 W·m-1·K-1,同时受电池沿厚度方向低的热导率的影响,电池组之间的温差达到6.4℃。从图4(b)中可以看出当电池放电截止时,相变材料的热导率较低,相变材料的温度分布并不均匀,相变材料的最高温度为41℃,最低温度为37.4℃。从图中还可以看出,与电池直接接触的地方,相变材料的温度最高,受外界空气自然对流的影响,左边缘相变材料的温度最低。由于电池组高度方向上下边缘相变材料的量比较少,因此整个相变材料高度方向上下边缘温度较高,中间温度较低。

图4 放电截止时的温度分布
Fig.4 Temperature distribution at ending of discharge

图5给出的是电池组最高温度在纯石蜡冷却和自然对流冷却下的温升情况。从图中可以看出在电池放电前期,电池组的最高温度并没有明显的差异。当500 s之后,由于石蜡的热导率高于空气,所以在石蜡热管理系统的影响下,电池组的最高温度低于自然对流系统的最高温度。当时间达到2000 s之后,随着相变材料发生相变过程,电池组的最高温度增加幅度降低,并且逐步趋于稳定,最终维持在46℃左右,自然对流冷却时电池组的最高温度为57℃,降低11℃。因此,将相变材料运用到动力电池热管理中,可以有效地控制电池组的最高温度。

2 复合相变材料热导率与用量对电池组温度场分布的影响

对于相同量的复合相变材料,其含有石墨的质量分数不同时,由于复合相变材料的汽化潜热、密度等物性参数与石墨的量相关,就会出现复合相变材料汽化潜热低的情况。假定电池组间隙5 mm,复合相变材料的物性参数按表1计算出的结果如图6所示。

图5 两种散热方式下电池组的最高温度
Fig.5 Maximum temperature of battery pack under two kinds of cooling system

从图6中可以看出,当石墨含量为5%时,电池最终的温度会稍稍低于石墨含量为0时的情况,这是因为石墨的加入增大了复合相变材料的热导率,从而提高了对电池组的散热效果。

图6 复合相变材料量不足时石墨含量对电池组最高温度的影响
Fig.6 Effect of graphite content on maximum temperature of battery pack in condition of insufficient phase change material

从图6中还可以看出,当复合相变材料的量一定时,石墨含量为15%和25%时出现了严重的量不足的现象。当电池放电时间达到3000 s时,复合相变材料的相变潜热吸收完全,不能再吸收电池多余的热量。此时电池组的最高温度会急剧上升,超出电池组安全工作的温度范围,导致电池模块的失效。因此,当复合相变材料受体积和质量等条件的约束时,一味地增加石墨的含量提高复合相变材料的热导率,汽化潜热随之降低,很可能会导致相变材料的量不足。而此时,相变潜热是决定热管理性能的决定因素,因此,在对电池进行热管理时,要根据实际情况权衡热导率和相变潜热的关系,作出合理的配比。

当复合相变材料量充足的情况下,石墨含量对电池组最高温度的影响如图7所示。从图中可以看出,当复合相变材料的汽化潜热满足电池组的散热需求时,随着石墨含量的增大,电池组的温度降低,当石墨含量高于15%时,电池组的最高温度几乎不再变化。随着石墨含量的增大,除了热导率外,复合相变材料其他的物性参数均在降低,说明在复合相变材料足量的情况下,热导率是决定电池组最高温度的主要性能参数。但当热导率增加到一定值时,再次增大热导率对电池组的最高温度不再产生影响。

图7 相变材料量充足时石墨含量对电池组最高温度的影响
Fig. 7 Effect of graphite content on maximum temperature of battery pack in condition of sufficient phase change material

图8给出的是复合相变材料中,石墨质量分数不同时的电池组温度分布云图。从图中可以看出,当复合相变材料足量时,热导率不仅对电池的最高温度有影响,还影响着电池组温度的均匀性。石墨的含量从0、5%、15%、25%逐渐变化的过程中,电池组的温差分别为6.4、5.9、5.5、5.4℃。因此,增大复合相变材料的热导率有利于热量在相变材料内部的传递,从而降低电池组的温差。

图8 不同石墨含量时电池组温度分布云图
Fig.8 Temperature distribution of battery pack with different graphite content

图9给出的是复合相变材料量充足时的温度变化。从图中可以看出,石墨含量的增加,使得相变材料的温度呈现先增加后降低的现象。复合相变材料中石墨的含量越大,其热导率越高,越有利于吸收电池的热量,前期温度上升越快,后期相变材料的温度分布越均匀,使其平均温度越低。石墨含量为0时,复合相变材料的温度稳定在43℃左右;当石墨含量上升至25%时,复合相变材料的温度稳定在40℃左右。大的热导率也缩短了相变材料发生相变的时间,从图中可以看出,当石墨含量为25%时,复合相变材料开始发生相变的时间约在1800 s;石墨含量为0时,相变材料开始发生相变的时间约在2100 s;石墨含量25%的复合相变材料较纯石蜡发生相变早约300 s。

图9 不同石墨含量的复合相变材料温升曲线
Fig.9 Temperature rise of composite phase change materials with different graphite content

3 复合相变材料的加热保温性能

在寒冷的冬季,电池搁置在低温环境中,其充放电性能会大大降低。包裹在电池周围的已完全发生相变的液态复合相变材料可以为电池进行加热,本节选取的复合相变材料石墨的含量为15%。

图10给出的是环境温度-20℃,自然对流传热系数为5 W·m-2·K-1[31],复合相变材料初始温度为41℃情况下,电池组在有无复合相变材料时的温度变化。从图中可以看出,电池组的平均温度先升高后降低,在有潜热加热时,电池组的平均温度快速增大,在加热250 s后电池组的平均温度达到0℃以上。随着复合相变材料潜热的释放,电池组的平均温度升高到8℃,潜热释放完全后,随着对流换热的作用,电池组与外界空气进行热交换,电池组的平均温度持续下降,在4500 s时其平均温度仍然在5℃以上。从图中还可以看出,当无潜热作用时,在整个加热过程中,电池组的平均温度未曾达到0℃。因此,相变潜热对电池组的加热具有非常重要的意义和影响。

电池组温度的维持与复合相变材料的用量有非常大的关系。图11给出的是电池组的平均温度在不同相变材料量下的温度变化。从图中可知,当相变材料用量极少时,不足以使电池组的温度上升至0℃。当电池组的温度需要维持在5℃以上6 h,需要相变材料的厚度为50 mm,按8块电池组计算需要相变材料的体积为0.005 m3。

图10 电池组在材料有无相变材料时的温度变化
Fig.10 Temperature variation of battery pack on condition of material with/without latent heat

图11 相变材料的量对电池组温度的影响
Fig.11 Effect of amount of phase change material on temperature of battery pack

4 结 论

本文主要建立了复合相变材料热管理模型,研究了复合相变材料热导率、用量对电池散热的影响以及复合相变材料电池组的加热保温性能。得到的结论概括如下。

(1)与自然对流冷却方式相比,相变材料冷却可以更有效地控制电池组的最高温度。当复合相变材料中石墨含量为15%时,可以控制电池组的最高温度在45℃左右,温差在5℃左右。

(2)当复合相变材料足量时,随着石墨含量的增加,电池组的最高温度降低,电池组之间的温差减小。在这种情况下,热导率是影响电池组最高温度及温度均匀度的主要性能参数。

(3)当复合相变材料量不足时,相变潜热吸收完全后电池组的最高温度急剧升高,难以控制。因此,利用相变材料对电池进行热管理时,不能一味追求高的热导率,保证复合相变材料的相变潜热才是关键。

(4)当环境温度为-20℃时,用石墨含量为15%的复合相变材料给电池进行加热时,250 s之后电池组的平均温度可上升至0℃。电池组温度的维持与复合相变材料的用量有很大的关系,维持电池组平均温度5℃以上6 h,需相变材料体积0.005 m3。

符 号 说 明


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