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       本文亮点：(1)提出一种兼顾高低温工况的热管理系统；(2)利用相变材料的热容用于低温下保温。

  摘 要 热特性对电动汽车的性能有着重要的影响。低温环境严重影响锂电池的容量和寿命，而高温环境则可能导致热失控。为了保证锂电池在高低温环境下的安全高效运行，本研究提出一种兼顾高低温的热管理系统，通过保温材料和相变材料组合成的蓄热模块的灵活拆卸，实现对高低温天气下电池的散热和保温。使用Star CCM+软件进行建模和仿真。研究结果表明：动力电池在不同倍率放电后静置维持在0 ℃以上的时间最高达17 h，低温下静置与无热管理的情况下相比保温时长增加了约8倍，比单纯使用相变材料保温时长增加了近3倍，且验证了添加隔热层的必要性。在实际应用中表明停车后可直接启动，避免电动汽车频繁的预加热。在高温条件下拆掉蓄热模块使用风冷散热既节省了能源又进一步加强了该系统散热能力。以1C~3C倍率放电后，与未添加散热措施的电池组对比，添加热管理散热系统后电池组最高温度分别降低了34%、42%和48%，添加翅片后对电池的降温效果有明显作用，1C~3C放电倍率下最高温度比未添加翅片的电池组最高温度分别降低4.8%、5.4%、6.7%，放电倍率越高添加翅片的散热效果越明显。

  关键词 电动汽车；电池热管理；相变材料；热管；保温

  目前，全电动汽车(electric vehicles)和混合动力汽车(hybrid electric vehicles)规模占比逐步升高，高效安全地应用于电力存储的动力电池是当前的重点发展领域。与燃料电池和铅酸电池相比，锂离子电池具有高能量密度、高功率、长寿命和环境自适应性强等优点，是当前电动汽车应用最广泛的选择。电池温度是动力电池汽车需要关注的重要参数之一，这是由于锂离子电池工作受到温度限制，在高温环境下可能会产生热失控，导致短路、燃烧、爆炸等安全问题。热失控是锂离子电池最严重的安全问题之一，与电池的热行为和不均匀的温度分布密切相关。在低温环境下，锂离子电池能在0 ℃以下工作，具有更好的低温性能。它允许放电的温度范围较宽，可以在-20～60 ℃之间工作。但在环境温度低于-20 ℃时，会引发严重的容量衰退、寿命减短和充电困难，限制了现有锂离子电池在低温条件下的使用。因此，为使电池保持在适宜的温度范围内长期安全使用，电池必须配备可靠和有效的电池热管理系统(BTMS)，以调节电池在充放电和各种环境条件下的温度波动。为此，众多学者从电池保温和冷却等方面展开研究。

  在低温环境下的热管理方式主要是对电池进行加热或从电池外部附加保温材料、使用保温箱等。Xiong等利用无线充电系统的高频交流电加热电池，实验结果表明，该方法可以使电池加热-20～0 ℃，平均升温速率约8.5 ℃/min，该加热系统可以使电动汽车快速加热。潘成久等将电加热膜贴于每块电池单体的单个侧面进行加热，其加热效果较好，但会对单体散热产生影响。使用加热法效率虽高但使用故障较多，且不安全，动力锂电池保温是一种安全、经济的低温解决方案。Guo等利用回收电池产热和电驱动系统产热用于对电池箱加热，设置环境的初始温度和车辆温度为-20 ℃，座舱和电池的目标温度分别设置为20 ℃和25 ℃。结果表明，该集成系统缩短了电池加热时间，降低了10.2%以上的油耗。整个热管理系统总能耗降低了2.84%。张承宁等将宽线金属膜贴于电池单体的两个较大侧面进行加热，该方法的温度均匀性、加热效率等较好，但需要精确控制系统，在一定程度上会影响电池单体的散热。Song等采用热空气对电池组进行预加热，经过预加热后行驶里程变大，加热效果明显，但结构较为复杂。温小燕制备了气相二氧化硅和液态石蜡复合相变材料用于锂电池低温条件下的保温实验研究，结果表明，在锂电池温度从38 ℃降低到-10 ℃过程中，包裹复合相变材料的锂电池保温时间比没有包裹相变材料的锂电池提高了160%。使用保温的方式提高动力电池在低温环境下的性能，这种方法具有较为成熟的理论基础和丰富的工程经验，目前商用电动汽车大多采用这一解决方案。

  针对电池热管理冷却，其常规方法大致分为四类：空气冷却、液体冷却、相变材料(PCM)冷却和热管冷却。四种热管理方式各有优缺点，其中相变冷却被认为是最有应用前景的热管理方式之一。相比于其他热管理方式，相变冷却的高潜热特性有助于吸收或释放产生的热量相变(熔化或凝固)来调节电池温度，比空气冷却能力更高，比液体冷却的结构设计更简单，比热管冷却更能灵活地使用不同形状的电池。但同时相变冷却也存在两个主要技术障碍，一个是低导热率，纯PCM热量传递缓慢，另一个是低传热系数，当PCM潜热耗尽时会导致热量积累。

  动力电池冬季低温施加保温措施，会恶化其散热性能，导致夏季高温时电池温度过高，可能引发热失控；改善动力电池的散热性能，又会导致冬季低温时电池温度过低，严重影响电池容量寿命。本课题提出一种用相变材料和热管组合在夏季高温工况下对电池散热，在冬季低温天气下添加用保温材料和相变材料组合成的可拆卸的蓄热模块，通过蓄热模块的灵活拆卸，实现高低温天气均能有效调节电池温度，同时做到对锂离子电池进行冷却和保温。进一步优化相变冷却的结构使其具有更强的温控能力，最大限度发挥出相变材料的作用。该课题研究成果对电池温度调节具有重要应用意义。

  1 模型与方法

  1.1 物理模型

  本工作建立的电池热管理系统模型包括4块锂电池、两种不同作用的相变材料(图1中PCM1和PCM2)、若干平板热管(宽10 mm)、气凝胶隔热层等，4块电池等间距分布，每两块电池中间分布1层平板热管，PCM(包括PCM1和PCM2)均匀填充于各单体锂电池之间，模型结构图如图1所示，模型尺寸如图2所示。

图1 几何模型

图2 模型尺寸

  由于电池包在电动汽车上所占空间有限，为了不进一步增加电池包体积，本工作所用PCM1和PCM2、隔热层厚度均为3 mm。低温环境下，假设新能源汽车的动力电池初始预热到25 ℃，外出用车过程中，整个电池模组由初始温度逐渐降温。因整个电池模组拥有25 ℃的初始温度，相变材料PCM2已存储热量，低温环境下，PCM2中的热量通过热管传导给电池用于保温，同样，电池工作时产生热量也会通过热管存储进PCM2模块中，整个PCM2模块与电池模组处于动态平衡中。高温环境下，取掉PCM2蓄热模块，利用PCM1、热管和风冷复合散热。

  本研究所用锂电池采用恒定热源放电，电池的生热速率见表1。

表1 不同放电倍率下的生热速率

  对于热管的模型构建，为使热管在低温下能启动，通常选用甲醇、乙醇、氨、丙酮等作为工质，工作温度在-70~100 ℃，Faghri使用脉冲功率输入的方法在-21 ℃环境下成功启动热管。本研究的电池组温度变化范围相对热管的传热特性过小，平板热管各处温度基本一致，在本研究的布置形式下热管传热系数不会产生过大变化，因此对热管进行模型构建时将热管简化为恒定不变的热导率的单一几何体，Chiou等研究了不同温度下热管的工作性能，研究结果表明热管的当量热导率变化区间为6000～8000 W/(m∙K)，本工作仿真对热管材质设为铜，仅改变热管热导率，其热阻为材料默认属性，所选用热管的热导率为8000 W/(m∙K)。其他材料的热物性参数见表2，其中PCM1的固相线温度为35 ℃，液相线温度42 ℃，PCM2液相线温度为21 ℃，固相线温度10 ℃。

表2 材料的热物理性质

  1.2 控制方程

  1.2.1 PCM计算模型

  为了模拟PCM传热现象，本研究中关于PCM的计算模型做出如下假设：

  （1）忽略所有辐射损失；

  （2）液相相变材料的流动特性为层流；

  （3）所使用的PCM(固相和液相)是均匀和各向同性的。

  使用基于焓的方法对相变材料的动力传热学进行建模，PCM熔化现象的数学公式使用焓-孔隙度法进行建立。在这种方法中，没有明确跟踪固液界面，而是为域中的每个单元确定液体分数。因此，在每次迭代过程中，基于焓平衡为每个单元定义0和1之间的液体分数值。域中液体分数值在0和1之间的区域被称为糊状区。该方法的能量方程表示为：

  式中，H为焓；ρ为密度；k为导热率；S为源术语；v为流体速度；t为时间。

  连续性方程为：

  式中，Ts和Tl分别为固相线温度和液相线温度。

  1.2.2 空冷计算模型

  散热时，利用空气对电池模组冷却，由于空气在冷却通道中的速度较小，空气被视为不可压缩的流体，电池模组的空气冷却的描述方程如式(5)～(11)所示，连续方程如下：

  式中，μ、ρ、T、cp、λ和p分别为动态黏度、密度、温度、比热、热导率和压力，其中下标a、b和c分别表示空气、保温部和电池；σT为k-ε湍流模型的参数，σT=0.85；qc为电池的发热率。

  动量方程为：

  式中，k和ε分别为湍流动能和湍流耗散率；Cμ(=0.09)是k-ε湍流模型的参数，其他参数的值为C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

  1.3 网格无关性验证

  由于电池包模型内部均为方形结构，网格采用正六面体网格，网格划分在STARCCM+中完成，为了说明网格数量对仿真结果影响较小，设置5组网格数量对网格的独立性进行检验。在初始温度和环境温度为30 ℃时，以加翅片散热后的散热模型3C放电为例，仿真中，其最高温度随网格数量的变化趋势如图3所示。当网格数量超过40万个时，最高温度在37.4 ℃左右波动，且波动范围较小。

图3 散热模型电池模组随网格数量变化趋势

  本研究所用网格数量397862个，网格质量不小于0.9。网格模型和网格细节如图4和图5所示。

图4 电池模组网格模型

图5 电池模组网格模型细节

  2 结果与讨论

  2.1 低温放电后静置

  动力汽车在实际运行中会经历频繁启停。在冬季低温环境下，动力汽车在室外短时间停车过程中，电池组的温度会迅速下降，当锂离子电池的温度低于0 ℃后，其工作性能和使用寿命会受到严重影响，导致电动汽车难以启动，为了避免电动汽车频繁地预加热，电池组的保温系统设计很有必要。

  假设外界环境温度为-20 ℃，低温环境下从初始温度25 ℃开始，锂电池组1C、2C、3C均放电0.5 h后静置，模拟动力汽车在行驶过后静置，如图6所示，3条曲线的温度趋势基本相同。开始时，电池模组在1C放电时，由于电池散热量大于产热量，电池温度持续下降，2C、3C放电时电池产热量大于散热量，温度持续升高。放电结束后电池组处于低温静置状态，当温度降到21 ℃时，相变材料开始凝固放热，减缓了电池的降温速率，当相变材料完全凝固后降温速率增大持续降温。

图6 不同倍率放电后静置最低温度曲线

  1C～3C放电结束后的温度分别为23 ℃、26 ℃、30 ℃。放电结束后电池组处于低温静置状态，电池组温度剧烈下降，放电结束后的温度降低到0 ℃的时间分别为14.2 h、16 h、16.6 h，降温速率分别为1.61 ℃/h、1.63 ℃/h、1.8 ℃/h，开始静置时的初始温度越高降温速率越快。这是由于电池组与环境温度的温差越大，传热速率越快，因此3C放电结束后低温静置的降温速率最大，其次是2C和1C。在热管理保温系统的作用下，当电池温度降低时，PCM2存储的热量通过热管作为桥梁导给电池，维持电池温度，PCM2与热管始终处于动态平衡中，因此能长时间使电池在低温环境下维持在0 ℃以上。与此同时，如图7所示，不同倍率放电后温差趋势基本相同，当相变材料发生相变时刻温差突然增大随后趋于平缓，整个过程中最大温差都保持在5 ℃的安全范围内。

图7 不同倍率放电后静置最大温差曲线

  在实际应用中，在冬季-20 ℃低温条件下，如果车辆电池舱采用本工作所述的保温方法对电池进行保温，完全能够满足每日外出用车需求。且根据现有锂电池的特性，能够进行正常充电或放电，也就是假如白天行车期间进行充放电，充放电产生的热量会延缓动力电池降温。至少在14 h后，电池温度依旧维持在0 ℃以上，汽车可直接启动运行。因此，该动力锂电池的保温方法是一种简单、安全、有效的热管理方法。

  2.2 不同方式保温效果对比

  图8和图9对比了无任何热管理保温措施和3种保温方式在-20 ℃的低温环境中静置的降温速率。3种保温方式分别为仅相变材料(PCM)保温、本工作设计的热管理系统(热管、PCM和保温层复合保温)、本工作设计的热管理系统去除隔热层(热管、PCM、无保温层复合保温)，锂电池组在-20 ℃环境下的最低温度和最大温差变化情况，有无保温层及不同的保温方式对温度降低时间有较明显的影响。

图8 不同保温方式静置时电池的最低温度变化曲线

图9 不同保温方式静置时电池的最大温差变化曲线

  如图8所示，没有任何保温的锂电池组在低温环境下温度持续降低，在大约1.5 h温度降低到0 ℃。表明电动汽车的动力电池在无保温情况下短时间内停车，温度会快速降低到0 ℃以下，电池箱体内部为保证在0 ℃以上启动，需要频繁对电池包进行加热，造成时间和能源的浪费。当使用PCM与热管耦合外加隔热层复合保温，保温时长可达14 h，相比没有任何保温方式的锂电池组保温时长大大增加。

  为验证添加隔热层的必要性，将隔热层去除，只有PCM和热管耦合的保温时长为12.5 h，比添加隔热层少了1.7 h，因此添加隔热层是必要的。此外对比了只添加3 mm厚的PCM的保温时长，只使用PCM保温低温静置到0 ℃需3.7 h，比不使用任何保温方式的保温时长增加了2.2 h，但与PCM与热管耦合外加隔热层复合保温相比，保温时长要低很多，这是因为PCM与热管耦合外加隔热层复合保温的热容较大，在低温环境中能为电池蓄热，且低温时发生低温相变释放潜热，阻碍了电池温度下降，而单纯的PCM保温只利用显热保温。可以看出，PCM与热管耦合外加隔热层复合保温具有良好的保温效果。另一方面，无任何保温时锂电池的最大温差波动较大，添加保温后温度均匀性明显变好。

  2.3 高温下散热结果分析

  图10和图11是对锂电池组在未采取任何散热措施的情况下进行放电产热温升研究。设定初始温度为30 ℃，能够更贴近锂电池实际工作环境。在进行仿真研究时，将锂电池组的环境温度设置为与初始温度一致，并分别以1C、2C、3C的倍率进行放电。对于单体锂电池表面与空气之间的自然对流换热过程，采用了对流换热系数为5 W/(m2·K)的设定。

图10 纯自然对流条件不同放电倍率下的最高温度变化曲线

图11 纯自然对流条件不同放电倍率下的最大温差变化曲线

  从图10的结果可以观察到，随着放电时间的增加，电池组的最高温度逐渐上升，并且放电倍率越高，温升曲线的斜率也越大。在环境温度和锂电池的初始温度均设定为30 ℃的放电条件下，当分别以1C、2C、3C的倍率进行放电时，锂电池组在放电结束后的温度分别为49.5 ℃、61.4 ℃、73.2 ℃。在2C和3C倍率的放电过程中，锂电池的最高温度分别在607 s、248 s、136 s时超过了50 ℃。2C和3C的放电结束后的最高温度均超过了60 ℃，只有1C倍率放电结束后的温度仍在安全范围，在3C放电倍率下甚至接近80 ℃。在这样高的温度下，极大增加了电池的自热，一旦有电池发生火灾或爆炸，其释放的热量可能引发周围电池的过热，从而引发连锁反应，导致火灾扩散。然而，在图11中，尽管最大温差随着放电时间和放电倍率的增加而增大，但在1C、2C、3C放电结束后，最大温差都控制在2 ℃以内，分别为0.27 ℃、0.73 ℃、1.21 ℃，均在锂电池组的最大温差安全范围内。

  图12和图13为散热系统添加翅片和不添加翅片的最高温度和最大温差对比。其中1C放电倍率下，无论热管理系统添加翅片与否，电池组温度均低于PCM1的相变温度35 ℃，而2C和3C放电倍率下，电池组温度在超过35 ℃后温升速率逐渐减小，这是因为PCM1发生相变吸热，阻止了电池组持续升温。有无添加翅片的热管理系统下，1C放电倍率下电池的最高温度分别为32.50 ℃、34.06 ℃，2C放电倍率下电池的最高温度分别为35.41 ℃、37.33 ℃，3C放电倍率下电池的最高温度分别为37.40 ℃、39.91 ℃，在1C～3C放电倍率下，热管理系统添加翅片比不添加翅片的散热系统的最高温度分别降低4.8%、5.4%、6.7%，随着放电倍率的增加，添加翅片的散热效果越明显。

图12 不同放电倍率下的最高温度变化曲线

图13 不同放电倍率下最大温差的变化曲线

  由图12的曲线中也可看出此规律。热管理散热系统添加翅片后，电池组在1C～3C的放电过程中的温度均比未添加翅片的温度低，且随着放电倍率的增加，两者的差别越来越大，这表明相变材料的热管理散热系统添加翅片后对电池的降温效果有明显作用，放电倍率越高添加翅片的散热效果越明显。与纯自然对流条件下的电池组放电对比，该热管理系统大大降低了电池组在高温环境下的温升速率和最高温度，以1C～3C倍率放电后，添加热管理散热系统后电池组最高温度分别降低了34%、42%和48%。

  图13为散热系统添加翅片和不添加翅片的最大温差对比。虽然热管理散热系统添加翅片后对电池组降温效果变好了，但最大温差却变大了，由图13可知，1C～3C放电倍率下，分别在前1600 s、500 s和400 s电池组最大温差基本不变，随着放电时间的增加，电池组温度越来越高温差也越来越大。2C和3C放电倍率下，分别在前411 s和前1251 s温差曲线骤然下降，当电池组温度达到PCM1的相变温度时，不仅电池温升速率下降，电池组温差也在逐渐减小，这表明相变材料用于电池热管理系统不仅有很好的散热作用，也有很好的温均作用。虽然最大温差均保持在安全范围内，但通过引入翅片设计，电池组的热管理性能得到了显著提升，改善了电池组的散热效果，但最大温差却增大了，1C～3C的放电结束时刻，添加翅片比未添加翅片的最大温差分别增高了17%、23%、12%，原因可由PCM1的熔化云图进行分析。

  图14为有翅片和无翅片PCM1的熔化云图，图中下方的数值为放电结束时刻PCM1固体的体积分数，由云图中可知，当1C放电时，无论加翅片与否电池组的最高温度均达不到PCM1的相变温度，所以1C放电中固体的体积分数均为1，当2C和3C放电结束后，未添加翅片的PCM1有更高的熔化率，电池中心产热温度更高，所以熔化区域由电池中心以圆圈的形式向外蔓延，因未添加翅片时通过热管带出的电池热量相比于添加翅片带走的热量更少，而通过PCM1吸收的更多，由于温差产生的主要原因是电池组与PCM1和热管接触面的传热速率不同造成的，因此添加翅片后的温差增大。

图14 基于相变材料的热管理系统 (a) 有翅片和 (b) 无翅片PCM1的熔化云图

  3 结 论

  本工作提出一种兼顾高低温工况的热管理系统，通过蓄热模块的灵活拆卸，实现高低温天气均能有效调节电池温度。首先仿真模拟了动力汽车在行驶过后的冷却过程，即不同倍率放电后静置，同时对比了3种不同的保温方式与没有任何保温系统的动力电池的保温效果。最后分析了在高温环境下对本工作提出的热管理散热系统翅片散热的影响研究。得出的结论如下：

  （1）不同倍率下放电后静置维持在0 ℃以上的时间最高达17 h，最低达14 h，比不添加保温措施的电池组保温时长至少增加12.5 h。在冬季-20 ℃低温条件下，采用本工作所述的保温方法对电池进行保温，完全能够满足每日外出用车需求。

  （2）在-20 ℃环境下的温度变化情况，有无保温层及不同的保温方式维持在0 ℃以上的时间有较大差别。PCM与热管耦合外加隔热层复合保温效果大于PCM与热管耦合不加隔热层的效果，因此添加隔热层是必要的，仅使用PCM的保温效果最差，无任何保温时锂电池的最大温差波动较大，添加保温后温度均匀性明显变好。

  （3）本研究利用蓄热模块的灵活拆卸构成热管理散热系统，添加风冷复合冷却，设置空冷风速速度为3 m/s，对比动力电池在不同放电倍率下纯自然对流条件下散热和有无翅片的热管理系统的温升曲线。结果表明，以1C～3C倍率放电后，添加热管理散热系统后电池组最高温度分别降低了34%、42%和48%。

  （4）添加翅片后对电池的降温效果有明显作用，1C～3C放电倍率下最高温度热管理系统添加翅片比不添加翅片的散热系统的最高温度分别降低4.8%、5.4%、6.7%，放电倍率越高添加翅片的散热效果越明显。