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本文亮點(diǎn)：(1)提出一種兼顧高低溫工況的熱管理系統(tǒng)；(2)利用相變材料的熱容用于低溫下保溫。
摘 要 熱特性對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的性能有著重要的影響。低溫環(huán)境嚴(yán)重影響鋰電池的容量和壽命，而高溫環(huán)境則可能導(dǎo)致熱失控。為了保證鋰電池在高低溫環(huán)境下的安全高效運(yùn)行，本研究提出一種兼顧高低溫的熱管理系統(tǒng)，通過(guò)保溫材料和相變材料組合成的蓄熱模塊的靈活拆卸，實(shí)現(xiàn)對(duì)高低溫天氣下電池的散熱和保溫。使用Star CCM+軟件進(jìn)行建模和仿真。研究結(jié)果表明：動(dòng)力電池在不同倍率放電后靜置維持在0 ℃以上的時(shí)間最高達(dá)17 h，低溫下靜置與無(wú)熱管理的情況下相比保溫時(shí)長(zhǎng)增加了約8倍，比單純使用相變材料保溫時(shí)長(zhǎng)增加了近3倍，且驗(yàn)證了添加隔熱層的必要性。在實(shí)際應(yīng)用中表明停車(chē)后可直接啟動(dòng)，避免電動(dòng)汽車(chē)頻繁的預(yù)加熱。在高溫條件下拆掉蓄熱模塊使用風(fēng)冷散熱既節(jié)省了能源又進(jìn)一步加強(qiáng)了該系統(tǒng)散熱能力。以1C~3C倍率放電后，與未添加散熱措施的電池組對(duì)比，添加熱管理散熱系統(tǒng)后電池組最高溫度分別降低了34%、42%和48%，添加翅片后對(duì)電池的降溫效果有明顯作用，1C~3C放電倍率下最高溫度比未添加翅片的電池組最高溫度分別降低4.8%、5.4%、6.7%，放電倍率越高添加翅片的散熱效果越明顯。
關(guān)鍵詞 電動(dòng)汽車(chē)；電池?zé)峁芾恚幌嘧儾牧?；熱管；保?
目前，全電動(dòng)汽車(chē)(electric vehicles)和混合動(dòng)力汽車(chē)(hybrid electric vehicles)規(guī)模占比逐步升高，高效安全地應(yīng)用于電力存儲(chǔ)的動(dòng)力電池是當(dāng)前的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。與燃料電池和鉛酸電池相比，鋰離子電池具有高能量密度、高功率、長(zhǎng)壽命和環(huán)境自適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用最廣泛的選擇。電池溫度是動(dòng)力電池汽車(chē)需要關(guān)注的重要參數(shù)之一，這是由于鋰離子電池工作受到溫度限制，在高溫環(huán)境下可能會(huì)產(chǎn)生熱失控，導(dǎo)致短路、燃燒、爆炸等安全問(wèn)題。熱失控是鋰離子電池最嚴(yán)重的安全問(wèn)題之一，與電池的熱行為和不均勻的溫度分布密切相關(guān)。在低溫環(huán)境下，鋰離子電池能在0 ℃以下工作，具有更好的低溫性能。它允許放電的溫度范圍較寬，可以在-20～60 ℃之間工作。但在環(huán)境溫度低于-20 ℃時(shí)，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的容量衰退、壽命減短和充電困難，限制了現(xiàn)有鋰離子電池在低溫條件下的使用。因此，為使電池保持在適宜的溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期安全使用，電池必須配備可靠和有效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)，以調(diào)節(jié)電池在充放電和各種環(huán)境條件下的溫度波動(dòng)。為此，眾多學(xué)者從電池保溫和冷卻等方面展開(kāi)研究。
在低溫環(huán)境下的熱管理方式主要是對(duì)電池進(jìn)行加熱或從電池外部附加保溫材料、使用保溫箱等。Xiong等利用無(wú)線充電系統(tǒng)的高頻交流電加熱電池，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以使電池加熱-20～0 ℃，平均升溫速率約8.5 ℃/min，該加熱系統(tǒng)可以使電動(dòng)汽車(chē)快速加熱。潘成久等將電加熱膜貼于每塊電池單體的單個(gè)側(cè)面進(jìn)行加熱，其加熱效果較好，但會(huì)對(duì)單體散熱產(chǎn)生影響。使用加熱法效率雖高但使用故障較多，且不安全，動(dòng)力鋰電池保溫是一種安全、經(jīng)濟(jì)的低溫解決方案。Guo等利用回收電池產(chǎn)熱和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)熱用于對(duì)電池箱加熱，設(shè)置環(huán)境的初始溫度和車(chē)輛溫度為-20 ℃，座艙和電池的目標(biāo)溫度分別設(shè)置為20 ℃和25 ℃。結(jié)果表明，該集成系統(tǒng)縮短了電池加熱時(shí)間，降低了10.2%以上的油耗。整個(gè)熱管理系統(tǒng)總能耗降低了2.84%。張承寧等將寬線金屬膜貼于電池單體的兩個(gè)較大側(cè)面進(jìn)行加熱，該方法的溫度均勻性、加熱效率等較好，但需要精確控制系統(tǒng)，在一定程度上會(huì)影響電池單體的散熱。Song等采用熱空氣對(duì)電池組進(jìn)行預(yù)加熱，經(jīng)過(guò)預(yù)加熱后行駛里程變大，加熱效果明顯，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。溫小燕制備了氣相二氧化硅和液態(tài)石蠟復(fù)合相變材料用于鋰電池低溫條件下的保溫實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在鋰電池溫度從38 ℃降低到-10 ℃過(guò)程中，包裹復(fù)合相變材料的鋰電池保溫時(shí)間比沒(méi)有包裹相變材料的鋰電池提高了160%。使用保溫的方式提高動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下的性能，這種方法具有較為成熟的理論基礎(chǔ)和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，目前商用電動(dòng)汽車(chē)大多采用這一解決方案。
針對(duì)電池?zé)峁芾砝鋮s，其常規(guī)方法大致分為四類(lèi)：空氣冷卻、液體冷卻、相變材料(PCM)冷卻和熱管冷卻。四種熱管理方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中相變冷卻被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的熱管理方式之一。相比于其他熱管理方式，相變冷卻的高潛熱特性有助于吸收或釋放產(chǎn)生的熱量相變(熔化或凝固)來(lái)調(diào)節(jié)電池溫度，比空氣冷卻能力更高，比液體冷卻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，比熱管冷卻更能靈活地使用不同形狀的電池。但同時(shí)相變冷卻也存在兩個(gè)主要技術(shù)障礙，一個(gè)是低導(dǎo)熱率，純PCM熱量傳遞緩慢，另一個(gè)是低傳熱系數(shù)，當(dāng)PCM潛熱耗盡時(shí)會(huì)導(dǎo)致熱量積累。
動(dòng)力電池冬季低溫施加保溫措施，會(huì)惡化其散熱性能，導(dǎo)致夏季高溫時(shí)電池溫度過(guò)高，可能引發(fā)熱失控；改善動(dòng)力電池的散熱性能，又會(huì)導(dǎo)致冬季低溫時(shí)電池溫度過(guò)低，嚴(yán)重影響電池容量壽命。本課題提出一種用相變材料和熱管組合在夏季高溫工況下對(duì)電池散熱，在冬季低溫天氣下添加用保溫材料和相變材料組合成的可拆卸的蓄熱模塊，通過(guò)蓄熱模塊的靈活拆卸，實(shí)現(xiàn)高低溫天氣均能有效調(diào)節(jié)電池溫度，同時(shí)做到對(duì)鋰離子電池進(jìn)行冷卻和保溫。進(jìn)一步優(yōu)化相變冷卻的結(jié)構(gòu)使其具有更強(qiáng)的溫控能力，最大限度發(fā)揮出相變材料的作用。該課題研究成果對(duì)電池溫度調(diào)節(jié)具有重要應(yīng)用意義。
1 模型與方法
1.1 物理模型
本工作建立的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型包括4塊鋰電池、兩種不同作用的相變材料(圖1中PCM1和PCM2)、若干平板熱管(寬10 mm)、氣凝膠隔熱層等，4塊電池等間距分布，每?jī)蓧K電池中間分布1層平板熱管，PCM(包括PCM1和PCM2)均勻填充于各單體鋰電池之間，模型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，模型尺寸如圖2所示。
圖1 幾何模型
圖2 模型尺寸
由于電池包在電動(dòng)汽車(chē)上所占空間有限，為了不進(jìn)一步增加電池包體積，本工作所用PCM1和PCM2、隔熱層厚度均為3 mm。低溫環(huán)境下，假設(shè)新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池初始預(yù)熱到25 ℃，外出用車(chē)過(guò)程中，整個(gè)電池模組由初始溫度逐漸降溫。因整個(gè)電池模組擁有25 ℃的初始溫度，相變材料PCM2已存儲(chǔ)熱量，低溫環(huán)境下，PCM2中的熱量通過(guò)熱管傳導(dǎo)給電池用于保溫，同樣，電池工作時(shí)產(chǎn)生熱量也會(huì)通過(guò)熱管存儲(chǔ)進(jìn)PCM2模塊中，整個(gè)PCM2模塊與電池模組處于動(dòng)態(tài)平衡中。高溫環(huán)境下，取掉PCM2蓄熱模塊，利用PCM1、熱管和風(fēng)冷復(fù)合散熱。
本研究所用鋰電池采用恒定熱源放電，電池的生熱速率見(jiàn)表1。
表1 不同放電倍率下的生熱速率
對(duì)于熱管的模型構(gòu)建，為使熱管在低溫下能啟動(dòng)，通常選用甲醇、乙醇、氨、丙酮等作為工質(zhì)，工作溫度在-70~100 ℃，F(xiàn)aghri使用脈沖功率輸入的方法在-21 ℃環(huán)境下成功啟動(dòng)熱管。本研究的電池組溫度變化范圍相對(duì)熱管的傳熱特性過(guò)小，平板熱管各處溫度基本一致，在本研究的布置形式下熱管傳熱系數(shù)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大變化，因此對(duì)熱管進(jìn)行模型構(gòu)建時(shí)將熱管簡(jiǎn)化為恒定不變的熱導(dǎo)率的單一幾何體，Chiou等研究了不同溫度下熱管的工作性能，研究結(jié)果表明熱管的當(dāng)量熱導(dǎo)率變化區(qū)間為6000～8000 W/(m?K)，本工作仿真對(duì)熱管材質(zhì)設(shè)為銅，僅改變熱管熱導(dǎo)率，其熱阻為材料默認(rèn)屬性，所選用熱管的熱導(dǎo)率為8000 W/(m?K)。其他材料的熱物性參數(shù)見(jiàn)表2，其中PCM1的固相線溫度為35 ℃，液相線溫度42 ℃，PCM2液相線溫度為21 ℃，固相線溫度10 ℃。
表2 材料的熱物理性質(zhì)
1.2 控制方程
1.2.1 PCM計(jì)算模型
為了模擬PCM傳熱現(xiàn)象，本研究中關(guān)于PCM的計(jì)算模型做出如下假設(shè)：
（1）忽略所有輻射損失；
（2）液相相變材料的流動(dòng)特性為層流；
（3）所使用的PCM(固相和液相)是均勻和各向同性的。
使用基于焓的方法對(duì)相變材料的動(dòng)力傳熱學(xué)進(jìn)行建模，PCM熔化現(xiàn)象的數(shù)學(xué)公式使用焓-孔隙度法進(jìn)行建立。在這種方法中，沒(méi)有明確跟蹤固液界面，而是為域中的每個(gè)單元確定液體分?jǐn)?shù)。因此，在每次迭代過(guò)程中，基于焓平衡為每個(gè)單元定義0和1之間的液體分?jǐn)?shù)值。域中液體分?jǐn)?shù)值在0和1之間的區(qū)域被稱(chēng)為糊狀區(qū)。該方法的能量方程表示為：
式中，H為焓；ρ為密度；k為導(dǎo)熱率；S為源術(shù)語(yǔ)；v為流體速度；t為時(shí)間。
連續(xù)性方程為：
式中，Ts和Tl分別為固相線溫度和液相線溫度。
1.2.2 空冷計(jì)算模型
散熱時(shí)，利用空氣對(duì)電池模組冷卻，由于空氣在冷卻通道中的速度較小，空氣被視為不可壓縮的流體，電池模組的空氣冷卻的描述方程如式(5)～(11)所示，連續(xù)方程如下：
式中，μ、ρ、T、cp、λ和p分別為動(dòng)態(tài)黏度、密度、溫度、比熱、熱導(dǎo)率和壓力，其中下標(biāo)a、b和c分別表示空氣、保溫部和電池；σT為k-ε湍流模型的參數(shù)，σT=0.85；qc為電池的發(fā)熱率。
動(dòng)量方程為：
式中，k和ε分別為湍流動(dòng)能和湍流耗散率；Cμ(=0.09)是k-ε湍流模型的參數(shù)，其他參數(shù)的值為C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。
1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證
由于電池包模型內(nèi)部均為方形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格采用正六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分在STARCCM+中完成，為了說(shuō)明網(wǎng)格數(shù)量對(duì)仿真結(jié)果影響較小，設(shè)置5組網(wǎng)格數(shù)量對(duì)網(wǎng)格的獨(dú)立性進(jìn)行檢驗(yàn)。在初始溫度和環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，以加翅片散熱后的散熱模型3C放電為例，仿真中，其最高溫度隨網(wǎng)格數(shù)量的變化趨勢(shì)如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)40萬(wàn)個(gè)時(shí)，最高溫度在37.4 ℃左右波動(dòng)，且波動(dòng)范圍較小。
圖3 散熱模型電池模組隨網(wǎng)格數(shù)量變化趨勢(shì)
本研究所用網(wǎng)格數(shù)量397862個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量不小于0.9。網(wǎng)格模型和網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖4和圖5所示。
圖4 電池模組網(wǎng)格模型
圖5 電池模組網(wǎng)格模型細(xì)節(jié)
2 結(jié)果與討論
2.1 低溫放電后靜置
動(dòng)力汽車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)經(jīng)歷頻繁啟停。在冬季低溫環(huán)境下，動(dòng)力汽車(chē)在室外短時(shí)間停車(chē)過(guò)程中，電池組的溫度會(huì)迅速下降，當(dāng)鋰離子電池的溫度低于0 ℃后，其工作性能和使用壽命會(huì)受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)難以啟動(dòng)，為了避免電動(dòng)汽車(chē)頻繁地預(yù)加熱，電池組的保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)很有必要。
假設(shè)外界環(huán)境溫度為-20 ℃，低溫環(huán)境下從初始溫度25 ℃開(kāi)始，鋰電池組1C、2C、3C均放電0.5 h后靜置，模擬動(dòng)力汽車(chē)在行駛過(guò)后靜置，如圖6所示，3條曲線的溫度趨勢(shì)基本相同。開(kāi)始時(shí)，電池模組在1C放電時(shí)，由于電池散熱量大于產(chǎn)熱量，電池溫度持續(xù)下降，2C、3C放電時(shí)電池產(chǎn)熱量大于散熱量，溫度持續(xù)升高。放電結(jié)束后電池組處于低溫靜置狀態(tài)，當(dāng)溫度降到21 ℃時(shí)，相變材料開(kāi)始凝固放熱，減緩了電池的降溫速率，當(dāng)相變材料完全凝固后降溫速率增大持續(xù)降溫。
圖6 不同倍率放電后靜置最低溫度曲線
1C～3C放電結(jié)束后的溫度分別為23 ℃、26 ℃、30 ℃。放電結(jié)束后電池組處于低溫靜置狀態(tài)，電池組溫度劇烈下降，放電結(jié)束后的溫度降低到0 ℃的時(shí)間分別為14.2 h、16 h、16.6 h，降溫速率分別為1.61 ℃/h、1.63 ℃/h、1.8 ℃/h，開(kāi)始靜置時(shí)的初始溫度越高降溫速率越快。這是由于電池組與環(huán)境溫度的溫差越大，傳熱速率越快，因此3C放電結(jié)束后低溫靜置的降溫速率最大，其次是2C和1C。在熱管理保溫系統(tǒng)的作用下，當(dāng)電池溫度降低時(shí)，PCM2存儲(chǔ)的熱量通過(guò)熱管作為橋梁導(dǎo)給電池，維持電池溫度，PCM2與熱管始終處于動(dòng)態(tài)平衡中，因此能長(zhǎng)時(shí)間使電池在低溫環(huán)境下維持在0 ℃以上。與此同時(shí)，如圖7所示，不同倍率放電后溫差趨勢(shì)基本相同，當(dāng)相變材料發(fā)生相變時(shí)刻溫差突然增大隨后趨于平緩，整個(gè)過(guò)程中最大溫差都保持在5 ℃的安全范圍內(nèi)。
圖7 不同倍率放電后靜置最大溫差曲線
在實(shí)際應(yīng)用中，在冬季-20 ℃低溫條件下，如果車(chē)輛電池艙采用本工作所述的保溫方法對(duì)電池進(jìn)行保溫，完全能夠滿足每日外出用車(chē)需求。且根據(jù)現(xiàn)有鋰電池的特性，能夠進(jìn)行正常充電或放電，也就是假如白天行車(chē)期間進(jìn)行充放電，充放電產(chǎn)生的熱量會(huì)延緩動(dòng)力電池降溫。至少在14 h后，電池溫度依舊維持在0 ℃以上，汽車(chē)可直接啟動(dòng)運(yùn)行。因此，該動(dòng)力鋰電池的保溫方法是一種簡(jiǎn)單、安全、有效的熱管理方法。
2.2 不同方式保溫效果對(duì)比
圖8和圖9對(duì)比了無(wú)任何熱管理保溫措施和3種保溫方式在-20 ℃的低溫環(huán)境中靜置的降溫速率。3種保溫方式分別為僅相變材料(PCM)保溫、本工作設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)(熱管、PCM和保溫層復(fù)合保溫)、本工作設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)去除隔熱層(熱管、PCM、無(wú)保溫層復(fù)合保溫)，鋰電池組在-20 ℃環(huán)境下的最低溫度和最大溫差變化情況，有無(wú)保溫層及不同的保溫方式對(duì)溫度降低時(shí)間有較明顯的影響。
圖8 不同保溫方式靜置時(shí)電池的最低溫度變化曲線
圖9 不同保溫方式靜置時(shí)電池的最大溫差變化曲線
如圖8所示，沒(méi)有任何保溫的鋰電池組在低溫環(huán)境下溫度持續(xù)降低，在大約1.5 h溫度降低到0 ℃。表明電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池在無(wú)保溫情況下短時(shí)間內(nèi)停車(chē)，溫度會(huì)快速降低到0 ℃以下，電池箱體內(nèi)部為保證在0 ℃以上啟動(dòng)，需要頻繁對(duì)電池包進(jìn)行加熱，造成時(shí)間和能源的浪費(fèi)。當(dāng)使用PCM與熱管耦合外加隔熱層復(fù)合保溫，保溫時(shí)長(zhǎng)可達(dá)14 h，相比沒(méi)有任何保溫方式的鋰電池組保溫時(shí)長(zhǎng)大大增加。
為驗(yàn)證添加隔熱層的必要性，將隔熱層去除，只有PCM和熱管耦合的保溫時(shí)長(zhǎng)為12.5 h，比添加隔熱層少了1.7 h，因此添加隔熱層是必要的。此外對(duì)比了只添加3 mm厚的PCM的保溫時(shí)長(zhǎng)，只使用PCM保溫低溫靜置到0 ℃需3.7 h，比不使用任何保溫方式的保溫時(shí)長(zhǎng)增加了2.2 h，但與PCM與熱管耦合外加隔熱層復(fù)合保溫相比，保溫時(shí)長(zhǎng)要低很多，這是因?yàn)镻CM與熱管耦合外加隔熱層復(fù)合保溫的熱容較大，在低溫環(huán)境中能為電池蓄熱，且低溫時(shí)發(fā)生低溫相變釋放潛熱，阻礙了電池溫度下降，而單純的PCM保溫只利用顯熱保溫?？梢钥闯觯琍CM與熱管耦合外加隔熱層復(fù)合保溫具有良好的保溫效果。另一方面，無(wú)任何保溫時(shí)鋰電池的最大溫差波動(dòng)較大，添加保溫后溫度均勻性明顯變好。
2.3 高溫下散熱結(jié)果分析
圖10和圖11是對(duì)鋰電池組在未采取任何散熱措施的情況下進(jìn)行放電產(chǎn)熱溫升研究。設(shè)定初始溫度為30 ℃，能夠更貼近鋰電池實(shí)際工作環(huán)境。在進(jìn)行仿真研究時(shí)，將鋰電池組的環(huán)境溫度設(shè)置為與初始溫度一致，并分別以1C、2C、3C的倍率進(jìn)行放電。對(duì)于單體鋰電池表面與空氣之間的自然對(duì)流換熱過(guò)程，采用了對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)的設(shè)定。
圖10 純自然對(duì)流條件不同放電倍率下的最高溫度變化曲線
圖11 純自然對(duì)流條件不同放電倍率下的最大溫差變化曲線
從圖10的結(jié)果可以觀察到，隨著放電時(shí)間的增加，電池組的最高溫度逐漸上升，并且放電倍率越高，溫升曲線的斜率也越大。在環(huán)境溫度和鋰電池的初始溫度均設(shè)定為30 ℃的放電條件下，當(dāng)分別以1C、2C、3C的倍率進(jìn)行放電時(shí)，鋰電池組在放電結(jié)束后的溫度分別為49.5 ℃、61.4 ℃、73.2 ℃。在2C和3C倍率的放電過(guò)程中，鋰電池的最高溫度分別在607 s、248 s、136 s時(shí)超過(guò)了50 ℃。2C和3C的放電結(jié)束后的最高溫度均超過(guò)了60 ℃，只有1C倍率放電結(jié)束后的溫度仍在安全范圍，在3C放電倍率下甚至接近80 ℃。在這樣高的溫度下，極大增加了電池的自熱，一旦有電池發(fā)生火災(zāi)或爆炸，其釋放的熱量可能引發(fā)周?chē)姵氐倪^(guò)熱，從而引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致火災(zāi)擴(kuò)散。然而，在圖11中，盡管最大溫差隨著放電時(shí)間和放電倍率的增加而增大，但在1C、2C、3C放電結(jié)束后，最大溫差都控制在2 ℃以內(nèi)，分別為0.27 ℃、0.73 ℃、1.21 ℃，均在鋰電池組的最大溫差安全范圍內(nèi)。
圖12和圖13為散熱系統(tǒng)添加翅片和不添加翅片的最高溫度和最大溫差對(duì)比。其中1C放電倍率下，無(wú)論熱管理系統(tǒng)添加翅片與否，電池組溫度均低于PCM1的相變溫度35 ℃，而2C和3C放電倍率下，電池組溫度在超過(guò)35 ℃后溫升速率逐漸減小，這是因?yàn)镻CM1發(fā)生相變吸熱，阻止了電池組持續(xù)升溫。有無(wú)添加翅片的熱管理系統(tǒng)下，1C放電倍率下電池的最高溫度分別為32.50 ℃、34.06 ℃，2C放電倍率下電池的最高溫度分別為35.41 ℃、37.33 ℃，3C放電倍率下電池的最高溫度分別為37.40 ℃、39.91 ℃，在1C～3C放電倍率下，熱管理系統(tǒng)添加翅片比不添加翅片的散熱系統(tǒng)的最高溫度分別降低4.8%、5.4%、6.7%，隨著放電倍率的增加，添加翅片的散熱效果越明顯。
圖12 不同放電倍率下的最高溫度變化曲線
圖13 不同放電倍率下最大溫差的變化曲線
由圖12的曲線中也可看出此規(guī)律。熱管理散熱系統(tǒng)添加翅片后，電池組在1C～3C的放電過(guò)程中的溫度均比未添加翅片的溫度低，且隨著放電倍率的增加，兩者的差別越來(lái)越大，這表明相變材料的熱管理散熱系統(tǒng)添加翅片后對(duì)電池的降溫效果有明顯作用，放電倍率越高添加翅片的散熱效果越明顯。與純自然對(duì)流條件下的電池組放電對(duì)比，該熱管理系統(tǒng)大大降低了電池組在高溫環(huán)境下的溫升速率和最高溫度，以1C～3C倍率放電后，添加熱管理散熱系統(tǒng)后電池組最高溫度分別降低了34%、42%和48%。
圖13為散熱系統(tǒng)添加翅片和不添加翅片的最大溫差對(duì)比。雖然熱管理散熱系統(tǒng)添加翅片后對(duì)電池組降溫效果變好了，但最大溫差卻變大了，由圖13可知，1C～3C放電倍率下，分別在前1600 s、500 s和400 s電池組最大溫差基本不變，隨著放電時(shí)間的增加，電池組溫度越來(lái)越高溫差也越來(lái)越大。2C和3C放電倍率下，分別在前411 s和前1251 s溫差曲線驟然下降，當(dāng)電池組溫度達(dá)到PCM1的相變溫度時(shí)，不僅電池溫升速率下降，電池組溫差也在逐漸減小，這表明相變材料用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)不僅有很好的散熱作用，也有很好的溫均作用。雖然最大溫差均保持在安全范圍內(nèi)，但通過(guò)引入翅片設(shè)計(jì)，電池組的熱管理性能得到了顯著提升，改善了電池組的散熱效果，但最大溫差卻增大了，1C～3C的放電結(jié)束時(shí)刻，添加翅片比未添加翅片的最大溫差分別增高了17%、23%、12%，原因可由PCM1的熔化云圖進(jìn)行分析。
圖14為有翅片和無(wú)翅片PCM1的熔化云圖，圖中下方的數(shù)值為放電結(jié)束時(shí)刻PCM1固體的體積分?jǐn)?shù)，由云圖中可知，當(dāng)1C放電時(shí)，無(wú)論加翅片與否電池組的最高溫度均達(dá)不到PCM1的相變溫度，所以1C放電中固體的體積分?jǐn)?shù)均為1，當(dāng)2C和3C放電結(jié)束后，未添加翅片的PCM1有更高的熔化率，電池中心產(chǎn)熱溫度更高，所以熔化區(qū)域由電池中心以圓圈的形式向外蔓延，因未添加翅片時(shí)通過(guò)熱管帶出的電池?zé)崃肯啾扔谔砑映崞瑤ё叩臒崃扛?，而通過(guò)PCM1吸收的更多，由于溫差產(chǎn)生的主要原因是電池組與PCM1和熱管接觸面的傳熱速率不同造成的，因此添加翅片后的溫差增大。
圖14 基于相變材料的熱管理系統(tǒng) (a) 有翅片和 (b) 無(wú)翅片PCM1的熔化云圖
3 結(jié) 論
本工作提出一種兼顧高低溫工況的熱管理系統(tǒng)，通過(guò)蓄熱模塊的靈活拆卸，實(shí)現(xiàn)高低溫天氣均能有效調(diào)節(jié)電池溫度。首先仿真模擬了動(dòng)力汽車(chē)在行駛過(guò)后的冷卻過(guò)程，即不同倍率放電后靜置，同時(shí)對(duì)比了3種不同的保溫方式與沒(méi)有任何保溫系統(tǒng)的動(dòng)力電池的保溫效果。最后分析了在高溫環(huán)境下對(duì)本工作提出的熱管理散熱系統(tǒng)翅片散熱的影響研究。得出的結(jié)論如下：
（1）不同倍率下放電后靜置維持在0 ℃以上的時(shí)間最高達(dá)17 h，最低達(dá)14 h，比不添加保溫措施的電池組保溫時(shí)長(zhǎng)至少增加12.5 h。在冬季-20 ℃低溫條件下，采用本工作所述的保溫方法對(duì)電池進(jìn)行保溫，完全能夠滿足每日外出用車(chē)需求。
（2）在-20 ℃環(huán)境下的溫度變化情況，有無(wú)保溫層及不同的保溫方式維持在0 ℃以上的時(shí)間有較大差別。PCM與熱管耦合外加隔熱層復(fù)合保溫效果大于PCM與熱管耦合不加隔熱層的效果，因此添加隔熱層是必要的，僅使用PCM的保溫效果最差，無(wú)任何保溫時(shí)鋰電池的最大溫差波動(dòng)較大，添加保溫后溫度均勻性明顯變好。
（3）本研究利用蓄熱模塊的靈活拆卸構(gòu)成熱管理散熱系統(tǒng)，添加風(fēng)冷復(fù)合冷卻，設(shè)置空冷風(fēng)速速度為3 m/s，對(duì)比動(dòng)力電池在不同放電倍率下純自然對(duì)流條件下散熱和有無(wú)翅片的熱管理系統(tǒng)的溫升曲線。結(jié)果表明，以1C～3C倍率放電后，添加熱管理散熱系統(tǒng)后電池組最高溫度分別降低了34%、42%和48%。
（4）添加翅片后對(duì)電池的降溫效果有明顯作用，1C～3C放電倍率下最高溫度熱管理系統(tǒng)添加翅片比不添加翅片的散熱系統(tǒng)的最高溫度分別降低4.8%、5.4%、6.7%，放電倍率越高添加翅片的散熱效果越明顯。
