动力电池热管理的相变材料熔化与传热特性分析

动力电池热管理的相变材料熔化与传热特性分析

张宝鑫

安徽江淮汽车集团股份有限公司新能源乘用车公司新能源汽车研究院安徽合肥230601

摘要：近几年，随着能源短缺，汽车行业逐渐从传统的内燃系统转变为蓄电池系统，新能源汽车的开发与研究，已经成为世界范围内的关注重点。本文探讨的是动力电池热管理的相变材料熔化与传热特性，从数字模拟、仿真结果、可视化试验入手，旨在为推动电动车的发展提供参考意见。

关键词：动力电池；热管理；相变材料；熔化；传热

电动汽车与混合动力汽车作为一种新型的环保节能型汽车，成为未来汽车行业的主要发展方向。截止2016年，我国新能源汽车的销售总数为50.7万辆。电动汽车的核心部件为电池，是电动汽车动力来源，电池的工作状态与电动汽车的性能有着密切的关系。

1数字模拟

圆柱电池轴对称简化为2D模型，模拟电池内高为65mm，直径为18mm。加热柱高为42mm，直径为6mm。套筒内径为31mm，厚度为4mm，套筒深度为66mm。模拟过程中，监测电池、套筒表面的平均温度，距离电池表面1.5mm，上、下间的距离为10mm。为判断分析石蜡的熔化情况，在模拟过程中，合理选取石蜡热物理参数。

电池内部发热均匀，连续性方程为：。

本文使用的求解器为FLUENT15.0，采用2D对称模型。为更好捕捉石蜡在熔化过程中的特征，在石蜡区域内需要进行网格加密处理。为平衡网格数量与网格计算精度，最终选取网格数为17260，时间长为0.1s。

2仿真结果

2.1功率的影响

电池产热主要来源于3个方面，极化热、欧姆热、浓度变化等，综合考虑动力电池内的高放电倍率，电池发热功率为6.6W、6.8W、13.2W。在电池温度上升到25℃，可将初始状态定义为O点，在3种功率下，电池温度上升曲线如下图1所示。

图1不同发热功率下电池温度上升曲线

2.2绝缘套筒影响

在散热过程中，金属套筒能够加速PCM的熔化，逐步增加电池的换热速度与效率，在此基础上可断定套筒导热性，就石蜡的熔化过程有一定的影响。通过深入研究圆柱套筒外形，一般为绝缘套筒0.19W/（m•K），铝制金属套筒为155W/（m•K）。电池的加热功率为8.8W。

在相关图形的基础上，未熔化的石蜡会形成尖峰，但在形状与位置上存在着很大的差异性。通过使用金属套筒，尖峰会逐渐脱离套筒内壁面，使得两相界面形成。但在绝缘套筒使用中，会出现一个相变界面，使得其中的模糊区域减少，剩余的固体尖峰会与套筒内避免相互紧贴，直到石蜡全部熔化。在套筒接近绝缘状态，温度平台会消失，电池表面的温度相比金属套筒高出6.1K-16K。此时可认为金属套筒对散热系统可起到一定的翅片作用。

2.3底部绝缘影响

计算模型中，底部绝缘材料层会出现少量热量泄漏，通过与导热套筒接触，会影响相变的特性。在本文研究中，要求石蜡底部完全绝缘，在石蜡熔化界面上开展仿真试验，电池、石蜡底部属于完全绝缘壁面。在电池底部完全绝缘的情况下，石蜡熔化界面演化过程与基准情形相似，在特定点内比较明显。能够发现底部热量泄漏不影响相变关键点。同基准情形相比，在底部完全绝缘的情况下，石蜡的熔化速度会加速，电池表面的平均温度为5K-10K。

3可视化试验及对比结果

3.1可视化试验

为实现系统的可视化，动力电池型号为18650，试验系统如下图2所示。在试验过程中，电池及套筒截面均为半圆形，切口的厚度为3mm，要使用透明的绝缘亚克力板将其密封。试验过程中选取的PCM为切片石蜡，温度为47℃—53℃。模拟电池中间开孔，将其作为加热器插孔。模拟电池下侧、上侧需要开设一个10mm的小孔，电池壁面为1.5mm，主要为放置热电偶。

图2可视化试验系统结构图

3.2对比结果

8.8W发热功率情况下，通过使用金属套筒、绝缘套筒在相变界面可视化试验下，对比仿真结果。通过对比发现，试验结果与仿真结果基本一致，同时也验证了计算仿真的有效性，在分析图内虚线为试验内的古冶相变界面。金属套筒内一侧，能够起到一定的导热作用，使得金属套筒内的糊状区域更加显著。随着石蜡的不断熔化，固液界面顶端形成了显著的尖峰，附在套筒内壁面上，在石蜡熔化前期，与电池临近的一侧温度较高，加速了石蜡的熔化速度。尖峰与套筒内贴近区域，随着液体石蜡的对流换热，使得套筒内的温度上升，逐步形成了锥形相变界面。就绝缘套筒而言，石蜡在熔化过程中只有一个加热面，相变界面峰能够与套筒界面相互紧贴，直到石蜡完全熔化为止。

4结束语

综上所述，在电池的升温过程中会经历4个阶段，使用金属套筒、绝缘套筒，能够减弱石蜡的恒温吸热效应。在其中融入仿真计算与可视化装置，可清楚的演示石蜡的熔化过程，两者相变界面的演示情况基本一致。

参考文献

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