极端工况下动力锂电池模组散热特性研究.pdf

2023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计收稿日期：2023-01-15基金项目：广东省高校特色创新项目(2020KTSCX167)；广东省高校青年创新人才类项目(2022KQNCX117)；东莞市科技特派员项目(20211800500452)；东莞市社会发展科技重点项目(20231800935832)；2022 年东莞市科技局 东莞市电化学储能器件工程技术研究中心(20221600402072)作者简介：金标(1981)，男，湖北省人，硕士，副教授，主要研究方向为锂离子动力电池热管理。极端工况下动力锂电池模组散热特性研究金标1，费强1，邹武元2，王延宁1(1.广东科技学院，广东 东莞 523000；2.东莞塔菲尔新能源科技有限公司，广东 东莞 523128)摘要：针对基于膨胀石墨/石蜡复合相变材料(composite phase change material,CPCM)电池模组在极端工况下的散热性能问题，提出采用高导热石墨片(graphite sheets,GS)来提高方型动力锂电池模组在大倍率充放电循环工况下的热管理性能，建立了基于 CPCM/GS电池模组二维热模型，利用曲面响应法探究了大倍率放电工况下石墨质量分数、CPCM压缩密度对电池模组散热性能的影响，以及在充放电循环工况下GS对电池模组温控和温均性能的影响，结果表明随着石墨质量分数和CPCM压缩密度增加，电池模组最高温度和最大温差均减小；在充放电循环阶段，与CPCM模组相比，CPCM/GS模组表现出更好的温控和温均性能。关键词：动力锂电池；复合相变材料；大倍率放电；动态充放电循环中图分类号：TM 912文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)07-0885-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.07.013Research on heat dissipation characteristics of lithium-ion batterymodule under extreme operating conditionsJIN Biao1,FEI Qiang1,ZOU Wuyuan2,WANG Yanning1(1.Guangdong University of Science&Technology,Dongguan Guangdong 523000,China;2.Dongguan Tafel New Energy Technology Co.,Ltd.,Dongguan Guangdong 523128,China)Abstract：Aiming at the heat dissipation performance of the power lithium-ion battery module based on expandedgraphite/paraffin composite phase change material(CPCM)under extreme operating conditions,high thermalconductivity graphite sheets(GS)were used to improve the thermal management performance of prismatic powerbattery module under high-rate charge-discharge cycles.Firstly,the two-dimensional thermal model of batterymodule with CPCM/GS was established,and the influence of the graphite mass fraction and CPCM compressiondensity on its maximum temperature and temperature difference under high-rate discharging conditions wasexplored,as well as the influence of GS on the temperature control and temperature uniformity performance of themodule under charging and discharging cycle condition were investigated.The results show that the maximumtemperature and maximum temperature difference of the battery module decrease with increasing of graphite massfraction and CPCM compression density.Moreover,compared with CPCM battery module,CPCM/GS batterymodule shows better temperature control and temperature uniformity performance during the period of dynamiccharge and discharge cycle.Key words:power lithium-ion battery;composite phase change material;high-rate discharge;dynamic charging anddischarging cycle锂离子动力电池(简称动力锂电池)由于其高能量和高功率密度在电动汽车中得到广泛应用。在实际应用中，动力锂电池在一些极端工况下(如瞬时大倍率放电及动态充放电循环)会释放大量的热，若散热不及时，会导致电池温度过高，引发热失控现象。对于模组而言，某一电池发生热失控，若不及时采取散热措施，会发生热扩散并触发周边电池发生热失控，这给电池模组带来严重的安全问题。因此，急需有效和紧 凑 的 电 池 热 管 理(battery thermal management system，BTMS)来解决电池在过热情况下的极端温升问题。相 变 材 料(phase change material，PCM)冷 却 方 式 用 于BTMS 是一个新兴的发展方向，已成为近年来的研究热点。在常规工况下，如低倍率放电，PCM 冷却方式能达到良好的电池综合散热性能1。但 PCM 缺点是导热系数较低，许多学者围绕如何强化 PCM 换热从理论和实验角度进行了大量的探究，如采用膨胀石墨吸附石蜡2、在石蜡中添加高导热金属3等方式制作成 CPCM 以增强导热能力，并研究了导热增强型 CPCM 组分材料特性4-6,8、CPCM 包覆电池方式及厚度4-5、环境温度和风速6等因素对电池散热能力的影响。研8852023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计究表明 CPCM 电池热管理模块与主动散热方式(如传统强制风冷或液冷等)耦合组成的混合式 BTMS显示出很好的协同散热效果5-7。但在一些极端工况下，如大倍率瞬间放电，电池产生大量的热，同时在动态充放电循环阶段，热量将不断累积，由于 PCM 只能被动吸热，一旦吸热饱和，将导致 PCM潜热作用失效9，BTMS 可能会失效。因此，极端工况下的PCM性能改善和优化成为BTMS的一个急需解决的问题。为解决基于 CPCM 电池模组在极端工况下的散热性能问题，本文提出了在 CPCM 四周增加具有高导热的石墨片GS，建立单体方型电池生热模型、CPCM 以及 GS传热模型，耦合风冷散热模型，形成了基于 CPCM/GS的方型锂电池模组的混合式二维热模型，并利用响应面法研究了大倍率放电工况下CPCM组分对该电池模组温控和温均的影响，以及在动态循环工况下GS对电池模组散热性能的影响。1 CPCM/GS电池模组几何模型图 1为基于 CPCM/GS电池模组的二维几何模型。该模组由12个规则排列而成的方型锂电池、包覆电池四周的膨胀石墨/石蜡 CPCM、镶嵌在 CPCM 之间以及模组四周的 GS 组成。其中，电池单体内部电芯是由正负极材料、隔膜、正负集流体按照一定顺序层叠而成，其容量为 135 Ah，X、Y、Z 方向尺寸分别为：47.5 mm173.6 mm132 mm；GS 厚度为 2 mm；CPCM在X、Y方向厚度分别为7和6 mm。2 电池模组热模型建立2.1 电池/CPCM/GS热模型锂电池产热是一个非稳态的时变过程，在充放电过程中内部产热量经电池内部各组件热传导至电池表面，然后经由CPCM和GS逐级传导至模组表面，最后通过模组表面和周围空气进行热交换。在使用 CFD 对整个模型进行热仿真的研究中，本文忽略辐射换热量以及电池、CPCM、GS界面之间的接触热阻，并采用 Ansys Fluent 中的焓法模型求解相变传热问题。在二维直角坐标系下，电池生热模型、CPCM 和GS传热模型分别为：bCbTt=bx2Tx2+by2Ty2+q(1)CPCMCCPCMHCPCMt=CPCM(2TCPCMx2+2TCPCMy2)(2)GSCGSTt=GSx2TGSx2+GSy2TGSy2(3)式中：、C、T、t、分别为密度、比热、温度、时间和导热系数；下标 b、CPCM、GS分别代表电池、复合相变材料和高导热石墨片；q为电池单位体积产热量，根据Bernadi10经典的产热速率理论，q由电池不可逆热和可逆热组成，在大倍率放电下，由极化内阻和电池欧姆内阻引起的不可逆热占主导。本文根据内阻特性实验数据拟合得到电池充放电下内阻随时间变化关系，采用 Ansys fluent 的 UDF 功能进行编译并加载电池时变内热源。HCPCM为相变焓项，可由式(4)定义：HCPCM=TiTCPCMCCPCMdT+LCPCM(4)式中：LCPCM为 CPCM 相变潜热值；Ti为初始温度；液相率 定义如下：=0TCPCM Tsolid(TCPCM-Tsolid)/(Tliquid-Tsolid)Tsolid TCPCM Tliquid1TCPCM Tliquid(5)风冷散热边界条件：-Tn=h(Ts-Tamb)(6)式中：n代表X、Y两个方向；h为对流换热系数；Ts、Tamb分别表示固体表面温度和周围环境温度，本文Ti和Tamb均设置为300 K。2.2 材料特性电池内部电芯密度和比热可根据企业提供的电芯各组分的物性参数由加权计算法得到，其 X、Y向导热系数可分别通过类似串并联电阻计算公式得出；CPCM 物性参数的计算模型参考文献11。表 1为仿真所需材料物性参数及相关计算公式。从表 1中的 CPCM 物性参数计算公式可知，提高其压缩密度CPCM和石墨质量分数，其导热系数会增加，但其比热容和相变焓均会降低，即导热系数和相变焓之间存在竞争关系。2.3 载荷信息本文选取 2种极端工况下分析电池模组散热特性：(1)大倍率放电工况。选取 3 C倍率恒流放电，电流 405 A，放电时间 1 200 s。(2)充放电循环工况，充放电策略为：第 1步：3 C倍率恒流放电(405 A、1 200 s)；第2步：1 C倍率恒流充电(135A、3 600 s)，充放电之间无搁置，然后返回至第 1 步进行 5次充放电循环。2.4 电池模组二维网格模型因电池模组在 Z向即高度方向上具有对称性，且 Z 向导热系数相比 X向(电池厚度方向)要大很多，所以可对模组进行二维建模，而且 Greco等12利用二维电池网格模型研究了电池模组温度分布，结果表明所使用的二维模型可以充分描述电池瞬时温升。由于其几何、边界条件和热源均具有对称性，故采用 1/4 几何模型进行建模。首先采用 Ansys Space图1CPCM/GS电池模组2D几何模型示意图表1 材料物性参数及相关计算公式 参数 GS 电池 石蜡 膨胀石墨 CPCM 密度/(kgm-3)2 300 2 364 508 2 333 6401 000 导热系数/(Wm-1K-1)800(垂直)17.1(y)0.22 129 129CPCM/2 333 20(水平)0.9(x)比热/(kJkgK-1)0.71 1.14 2.5 0.71 2.5(1-)+0.71 相变焓/(kJkg-1)226.1 0.5 226.1(1-)相变温度/K 315317 315317 8862023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计Claim模块建立2D几何模型，导入Ansys Mesh模块采用四边形单元进行网格划分，为保证网格质量，网格大小设为 0.5mm，对应的网格数和节点数分别为144 391、145 152，然后将划 分 好 的 网 格 导 入 Ansys Fluent 模 块，打 开 能 量 方 程 和Solidification/Melting求解模型，完成材料、计算域及热源、边界条件和求解设置并进行模拟计算。2.5 电池单体热模型验证135 Ah NCM 方型动力电池单体表面温度实验如图 2所示。1 C、2 C、3 C 放电倍率时电池初始温度分别设置为 36、40和 44，环境温度为27。实验和仿真时均取电池大面中心点作为温度监控点。图3为该单体电池表面温度实验与模拟值对比曲线。从图 3可知：电池表面中心测试温度与仿真温度变化曲线基本一致。放电结束时，实验测得的电池表面中心温度分别为 58.7、76.3和 96.8，与仿真值相比，温差分别为3.1、4.1和4.2，最大温差均在5 内，表明所建立的电池单体热模型的准确性，因此可利用该热模型开展后续研究。3 结果与分析3.1 大倍率放电工况为研究大倍率放电工况下 CPCM和 对电池模组温控和温均性能的影响，本文利用响应曲面法中的中心组合设计法进行实验设计，设计方案中各输入参数的取值范围为：640kg m-3CPCM1 000 kg m-3，00.5，12 W m-2 K-1h200Wm-2K-1，然后利用Ansys Fluent模拟设计表中各种实验方案，获得输出参数电池模组最高温度Tmax和最大温差T的计算值，最后采用Genetic Aggregation算法计算得出输入与输出参数的响应面，如图4所示。从图 4可知，随着 CPCM 压缩密度和石墨质量分数的增加，CPCM 电池模组的最高温度和最大温差均随之降低。因此，在电池模组大倍率放电工况下，应尽可能提高CPCM压缩密度和膨胀石墨质量分数。由此，在下文动态循环工况研究中，选取 CPCMP 密度为 1 000 kg/m3，膨胀石墨质量分数为50%。3.2 动态充放电循环工况在实际应用中，电池模组在不断地进行充放电循环，不断累积的热量对其BTMS性能产生重要的影响。图5为不同对流换热系数下CPCM模组和CPCM/GS模组最高温度变化对比曲线。图2电池单体表面温度测试图3不同倍率放电电池表面温度实验与仿真值对比图4压缩密度和石墨质量分数对电池模组Tmax(a)、T(b)影响的响应曲面图图5不同对流换热系数下CPCM模组和CPCM/GS模组最大温度变化8872023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计由图 5 可知，在相同散热条件下，CPCM/GS 模组要比CPCM模组温度低。而且，提高换热系数 h，两模组最高温度均会降低，但变化率逐渐减小，当h为120 Wm-2K-1时，两模组温度在整个循环过程中的温升速率变化较平稳，且两者温度几乎无差异，即h增加到一定程度时，两个模组温度变化表现几乎相同，每次循环两模组温度变化曲线几乎一致，电池温度保持平稳状态且温度值接近，此时增加换热系数对电池最高温度影响较小。同时，h分别为 60和80 Wm-2K-1时的CPCM 模组最大温度分别与 h 为 40 和 60 W m-2 K-1时的CPCM/GS模组最大温度较接近。因此，大倍率放电情况下被动式CPCM模组可适当耦合主动式散热系统。图6为电池模组的温差变化曲线，温差T定义为模组内最高温度与最低温度的差值。在相同h下，CPCM/GS模组比CPCM 模组具有更低的温差，表明其温度分布更均匀。当 h为 120 Wm-2K-1时，两个模组温差变化趋势基本相同且变化值也接近，这与上述电池模组的最高温度变化规律相同。图 7为 h为 60 Wm-2K-1时，CPCM 模组和 CPCM/GS模组在动态充放电循环时的温度分布变化情况。从图 7 可知，在约 7 200 s 前，CPCM 模组最高温度均比CPCM/GS模组温度低。在 7 200 s后，随着循环的进行，电池产热量不断累积，放电结束时最大温度范围逐渐向模组中心区域聚集，CPCM 模组的温度不均匀性逐渐变大，而 CPCM/GS模组电池间的温度一致性表现要好。例如，在第5个循环阶段放电结束时，CPCM/GS模组中单个电池最高温度分布在其中心，相比CPCM电池模组，其Y向模组整体温度梯度变化较小，温度分布相对均匀，而 CPCM 模组温度集中向电池中间区域分布。这是因为，在7 200 s前，CPCM还未完全融化，依靠 CPCM潜热能完全吸收电池产热，此时增加 GS，意味着在厚度方向即 X方向相当串联了一个热阻，而且该热阻要比CPCM热阻大，则整个模组在X向热阻会增加，最终导致电池模组温度会升高，此时 GS不能表现出高导热作用。而在后期，随着循环时间的增加，CPCM 开始逐渐融化直至完全融化，其潜热作用逐渐失效甚至完全失效以致CPCM不足以完全吸收电池产热量，此时 GS发挥其高导热作用，尤其表现在Y向，GS能迅速将电池内部产热量快速传导至模组表面，然后通过对流方式与外界进行换热，从而提升整个系统温均性能。因此，随着充放电循环的进行，CPCM/GS模组温控和温均效果均好于CPCM/GS模组。4 结论本文提出了一种基于膨胀石墨/石蜡CPCM/GS的电池模组结构，建立了由单体电池生热模型、CPCM和 GS传热模型并耦合风冷散热模型组成的混合式方型动力锂电池模组二维热模型，利用响应曲面法研究了CPCM组分材料特性对电池模组最高温度和最大温差的影响，并探究了 GS 对电池模组散热性能的影响，得出以下结论：(1)在大倍率放电时，提高CPCM压缩密度和膨胀石墨质量分数，能提高CPCM/GS电池模组温控和温均性能。(2)在动态循环工况下，与 CPCM 模组相比，随着循环的不断进行，CPCM/GS 电池模组表现出更好的温控和温均性能，而且提高对流换热系数，均能降低两个模组最大温度，但提高到一定程度后，两模组散热性能几乎无差别，此时，对流换热系数对两模组散热性能影响很小。参考文献：1李妙妙，丁世云，周旭峰，等.相变材料应用于电池模组散热特性的模拟实验J.电源技术，2022，46(1)：51-54.2HE J S,YANG X Q,ZHANG G Z.A phase change material withenhanced thermal conductivity and secondary heat dissipationcapability by introducing a binary thermal conductive skeleton forbattery thermal managementJ.Applied Thermal Engineering,2019,148：984-991.3李扬，陶于兵.多孔复合相变材料电池热管理模型及结构优化J.科学通报，2020，65(Z1)：213-221.4尹少武，康鹏，韩嘉维，等.基于相变材料的锂离子电池热管理性能J.化工进展，2022，41(10)：5518-5529.5安治国，张显，祝惠，等.蜂窝状CPCM/水冷复合式圆柱型锂电池散热性能J.储能科学与技术，2022，11(1)：211-220.6闫涵超，张西龙.相变与空气复合的电池冷却系统散热性能研究J.低温与超导，2021，49(12)：58-64.7YANG Y,CHEN L,YANG L,et al.Numerical study of combinedair and phase change cooling for lithium-ion battery duringdynamic cyclesJ.International Journal of Thermal Sciences,2021,165:106968.8WANG Q Q,ZHOU D,CHEN Y,et al.Characterization and effectsof thermal cycling on the properties of paraffin/expanded graphitecompositesJ.Renewable Energy,2020,147:1131-1138.9WU W,YANG X,ZHANG G,et al.Experimental investigation onthethermal performance of heat pipe-assisted phasechangematerial based battery thermal management systemJ.EnergyConversion and Management,2017,138:486-492.10 BERNARDI D.A general energy balance for battery systemsJ.Journal of the Electrochemical Society,1985,132(1):5-12.11 LING Z Y,CHEN J J,XU T,et al.Thermal conductivity of anorganic phase change material/expanded graphite composite acrossthephasechangetemperaturerangeandanovelthermalconductivity modelJ.Energy Conversion and Management,2015,102:202-208.12 GRECO A,JIANG X.A coupled thermal and electrochemical studyof lithium-ion battery cooled by paraffin/porous-graphite-matrixcompositeJ.Journal of Power Sources,2016,315:127-139.图6不同对流换热系数下CPCM和CPCM/GS模组最大温差变化图7充放电循环中CPCM模组和CPCM/GS模组温度分布变化过程888