泡沫铜增强型导热硅胶的电池热管理仿真

吴锡鸿

（广东工业大学材料与能源学院，广东 广州510006）

1 概述

电池模组是电动汽车最重要的部件，在电池使用寿命期限内，会进行反复的充放电。而在实际使用过程中，锂离子电池的性能与温度密切相关[1]。因此，必须要解决配合额外的散热部件以控制电池模组的温度和温差[2,3]。导热硅胶，以其自身较高的导热率、优异的绝缘性能、良好的柔性和弹性能力等特性，在该领域拥有独特的优势[4]。

目前，导热硅胶应用于电池热管理系统的研究主要为液体冷却方式，然而液体冷却方式会大幅度提升整个系统的结构复杂性。另外，液体冷却方式的电池热管理系统存在着冷却剂泄漏的隐患[5]。因此，在本研究中将泡沫铜增强型导热硅胶以耦合强制对流的方式应用于电池热管理系统中，并通过理论分析方法对比传统块状泡沫铜增强型导热硅胶（block-copper foam-silica gel, b-CF-SG）与新型管状泡沫铜增强型导热硅胶（tube-copper foam-silica gel, t-CF-SG）的控温性能，进而提出一种行之有效的电池热管理策略。

表1 b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型具体参数

2 仿真模型建立

2.1 电池热管理系统的模型结构

如图1 所示，模型结构分别按照b-CF-SG 和t-CF-SG 耦合强制对流，在电池模组中进行仿真计算。所选电池为18650 型磷酸铁锂动力电池，电池之间的中心间距为26mm，具体参数如表1 所示。在b-CF-SG 中，模块的尺寸为156mm×104mm×65mm；在t-CF-SG 中，所选用的SG 厚度为3mm，高度为65mm。强制对流的风速为3m/s，进出风口的尺寸均为124mm×65mm。

2.2 电池散热系统计算模型

动力电池的能量守恒方程如下：

图1 b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型耦合强制对流示意图

式中，ρ 表示电池的平均密度，Cp表示电池的比热容，k 表示电池的平均导热系数，x、y、z 分别表示电池的厚度、高度和宽度的方向。

空气能量守恒方程如下：矢量。

空气的连续性方程如下：式中，P 表示空气的静态压强，μ 表示空气的动力粘度。

为了提高的计算精度，采用混合网格划分。假设入口处的强制对流风速是均匀的，且忽略CF-SG 与电池之间的接触热阻。单体动力电池3C 放电倍率下的平均发热功率为3.713W[6]，整个系统所处的环境温度设为25℃，与电池模型的初始温度一致，进出口空气温度设定为25℃。CFSG、空气、锂离子电池的物性参数如下表2 所示。

表2 CF-SG、空气、锂离子电池的物性参数

3 结果与讨论

3.1 b-CF-SG 模型与t-CF-SG 模型的温度场分析

3.2 b-CF-SG 模型与t-CF-SG 模型的控温性能

为了分析两个模型中电池的控温情况，我们选取了如图3a和3b 所示的四个电池，实时监控其温度变化，并使用ORIGIN软件绘制温度变化曲线。由图3c 和图3d 可看出，不论是b-CF-SG 模型还是t-CF-SG 模型，处于边缘区的1 号电池的温度总是最低的，而同样处于边缘区的4 号电池温度高于1 号电池。这是因为1 号电池距离入风口最近，对流换热的效果也最好，而4 号电池已是在出风口附近，换热效果较差。同样的，中心区的2 号电池的温度也明显低于处于对称点上的3 号电池。

然而，除了3 号电池，t-CF-SG 模型其他电池的温度都明显低于b-CF-SG 模型。例如，t-CF-SG 模型1 号电池的最高温度仅为47.2℃，而b-CF-SG 模型中，1 号电池的温度高达53.7℃；而作为中心区的3 号电池，t-CF-SG 模型与b-CF-SG 模型均为58.3℃。

3.3 b-CF-SG 模型与t-CF-SG 模型的流场分析

图2 3C 倍率放电1200s 后，b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型的温度云图

相比于b-CF-SG 模型，t-CF-SG 模型的优点可以总结为两点：a.较大的散热面积。如表1 所示，t-CF-SG 模型的散热面积为b-CF-SG 模型的3.4 倍，这对于提升电池热管理模块的二次散热是至关重要的；b.流场的优化。t-CF-SG 模型具备更好的流道，来使空气更好地与CFSG 换热。为了验证这一结论，我们绘制出了b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型在1200s 时的流场图像。如图4 所示，可以看出，t-CF-SG 模型的空气流道分布更加均匀，与每个电池外包覆的CFSG 均有接触。反观b-CF-SG 模型，虽然在模组的两侧有较高的风速，然而却仅能直接冷却CFSG的四周表面，对于中心区的2 号和3 号电池，无法有效地进行对流换热。然而，由于沿程损失过大，导致t-CF-SG 模型的空气到第五排电池时的流速基本为0，亦无法对后排的电池进行有效换热。因此，尽可能的减小电池模组的长度，减小模组两侧的流道宽度以及采用叉排布置的方式是设计更加有效的空气流道的方向。

4 结论

本文以泡沫铜增强型导热硅胶作为热管理系统，设计了传统的b-CF-SG 模型与新型t-CF-SG 模型，更高的散热面积和更均匀的流场分布让t-CF-SG 模型的对流换热能力得到了有效的提升。仿真结果表明，对于前排电池，新型的t-CF-SG 模型的温度场、控温性能与流场均优于b-CF-SG 模型。例如，在t-CF-SG 模型中，位于边缘区的1 号电池最高温度仅为47.2℃，而b-CF-SG 模型中的3 号电池最高温度则高达53.7℃。但对于后排电池来说，冷却效果反而降低。因此，尽可能的减小电池模组的长度，减小模组两侧的流道宽度以及采用叉排布置的方式是下一步研究的重点。

图3 (a-b)b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型的温度监测点；(c-d) b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型的温度变化曲线

图4 3C 倍率放电1200s 后，b-CF-SG 模型和t-CF-SG 模型的流场图