相变材料耦合新型叶脉液冷通道的电池热管理研究

Research on Thermal Management System of Batteries with Phase Change Materials Coupled to a New Lobe Liquid Cooling Channels

摘要: 相变材料(PCM)具有出色的温度控制能力，但是纯PCM很难满足电动汽车高放电率下的热管理要求。本文设计了一种相变材料耦合新型叶脉液冷通道的电池热管理系统(BTMS)，分析了放电速率、不同相变材料、环境温度和入口雷诺数对电池最高温度T_max、最大温差ΔT_max、冷却剂压降和PCM液相率的影响。为防止相变材料完全熔化和失效，本研究旨在将液相率控制在80%左右，并在满足热管理要求的前提下尽可能减小冷却剂的压降同时满足热管理要求。仿真结果表明，与纯PCM冷却相比新型混合BTMS具有出色的散热性能，可将电池模块的最大温度保持在40℃以下，最大温差保持在5℃以内。在5C的高放电倍率下，环境温度25℃，入口雷诺数为100，电池组的T_max为37.91℃，ΔT_max为2.48℃，流量压降仅为3.64 Pa，PCM的液相率为78.8%。

Abstract: Phase change materials (PCMs) have excellent temperature control capabilities, but pure PCMs can hardly meet the thermal management requirements of electric vehicles at high discharge rates. In this study, a battery thermal management system (BTMS) with a phase change material coupled with a novel leaf-vein liquid-cooling channel is designed and numerically simulated to analyze the effects of discharge rate, different phase change materials, ambient temperatures and inlet Reynolds number on the maximum temperature, maximum temperature difference, coolant pressure drop and liquid phase rate of the PCM in the battery. In order to prevent the phase change material from completely melting and failing, this study aims to control the liquid phase rate at around 80%, and to reduce the coolant pressure drop as much as possible while meeting the thermal management requirements. Simulation results show that the new hybrid BTMS has excellent heat dissipation performance compared with pure PCM cooling, and can keep the maximum temperature of the battery module below 40˚C and the maximum temperature difference within 5˚C. The temperature of the battery module can be maintained at a high discharge multiplier of 5˚C, and the temperature difference can be maintained at a high temperature of 5˚C. At a high discharge rate of 5˚C, an ambient temperature of 25˚C, an inlet Reynolds number of 100, a Tmax of 37.91˚C, a ΔT_max of 2.48˚C, a flux pressure drop of only 3.64 Pa, and a liquid-phase ratio of 78.8% for the PCM are achieved.

1. 引言

锂离子电池以其高能量密度和长循环寿命，在储能和新能源汽车领域得到了广泛的应用，作为整个电动车的核心部件，其性能直接影响到整车产品的质量[1]。然而，锂离子电池的功能受温度的影响很大，电动汽车通常在−30℃至60℃的范围内运行，但锂离子电池的理想工作温度范围在25℃至40℃之间[2]。电池热管理系统(battery thermal management system, BTMS)的主要目标是将电池温度保持在特定范围内，并确保整个电池模块具有统一的温差。在高温环境和快速放电应用中，电池产生的热量迅速增加。如果这些热量不被驱散，就可能发生不可逆转的热失控甚至爆炸。此外，电池之间较大的温差会导致电池内部放电不平衡，加速老化过程，影响电池寿命。因此，高效的电池热管理技术对于提高电池性能至关重要[3]。

根据冷却介质的不同，BTMS主要有四种冷却方式，空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却[4]。空气冷却系统是指空气自发或强制地从电池表面流动，通过对流传热释放热量。空气冷却的优点是结构轻巧、维护成本最低、能耗低[5]。随着电池容量和冷却需求的增加，对散热能力的要求也越来越高。空气冷却方法的散热能力有限，难以满足拥有大量动力电池的封闭式电池组的冷却需求[6]。液体冷却系统(LCS)目前已相对成熟，冷却剂包括水、乙二醇或二者的混合物。与前面提到的方法相比，它的优点是冷却效果好、可持续性强，缺点是冷却结构复杂、冷却液有泄漏的风险、能耗高、成本高。液体冷却的主要集中领域是冷却管道的结构布局和设计、冷却剂的选择以及由此产生的优化设计，结合算法考虑电池目标函数的各种参数，以找到最优，并获得更符合实际需求的研究结果。相变冷却是一种利用相变材料(PCM)的潜热释放或吸收热量的冷却方法。虽然PCM呈现出许多优点，例如轻质、高热力学效率和均匀的热分散，但是它们的实际应用受到低导热性和自冷却不足的阻碍[7]。在熔化之前，PCM通过吸收电池产生的热量来冷却电池。然而，一旦PCM完全熔化，它就无法再吸收新的热量，失去继续冷却电池的能力，导致锂电池温度升高。虽然高导热性材料(如膨胀石墨，金属泡沫和碳纳米管)的集成可以增强PCM导热性，但自冷却限制仍然存在[8]。在快速放电条件下，仅仅依靠自然对流将热量耗散到环境中会导致PCM完全熔化，从而导致低效的散热和局部升高的电池温度。尽可能多地使用PCM来吸收锂电池产生的热量很重要，但同时，防止PCM完全熔化也很重要。

尽管各种冷却方法具有各自独特的优点，但如何高效地降低电池组的最高温度及维持电池组的均温性仍然是一个重大挑战。为了解决这些问题，研究人员广泛研究了混合冷却策略，该策略将联合相变冷却与其他冷却方法(包括空气冷却、液体冷却和热管冷却)相结合。Zhang等人[9]通过实验证明，将PCM与底部液体冷却相结合可以在高放电速率期间将电池的T_max保持在50℃以下，从而确保良好的温度均匀性。为了扩大冷却液的传热面积，Zhuang等人[10]设计了一种带有冷却孔的冷却板，将电池和PCM包围起来，防止电池在高放电过程中热量积聚，有效降低电池温度。Xie等人[11]提出了一种结合PCM和热管阵列的液冷BTMS，发现与纯PCM冷却相比，混合BTMS的T_max从6.9℃降至3.9℃，并保持在安全范围内。在2C放电过程中，T_max从46.0℃降至39.8℃，降低了13.78%。

尽管PCM冷却锂电池的研究取得了一些成果，但在高放电率下PCM冷却锂电池的研究仍然有限。将液体冷却与PCM耦合的BTMS面临诸如大温差和液体冷却剂的高压降的挑战。此外，控制PCM的相变速率以防止完全熔化和失效也是一个重大挑战。本文提出了一种新型的混合BTMS来解决这四个问题，旨在为电池热管理提供一种新的结构和方法。

2. 新型混合式BTMS的设计与仿真

2.1. 几何模型

综合考量各种散热技术的优劣势，本文设计了一种基于相变材料的电池组耦合液冷的新型散热结构，探讨耦合散热结构的有效性，研究不同的放电速率、相变材料、环境温度和入口雷诺数等情况下耦合散热结构的温控性能，为后续对耦合散热结构进行更细致的优化提供参考。

电池组由18个18650圆柱锂离子电池(直径×高度：18 mm × 65 mm)组成，以6个圆柱锂电池为一组，

Figure 1. Battery pack coupling heat dissipation geometry model schematic diagram

图1. 电池组耦合散热几何模型示意图

Figure 2. Structural diagram of bionic leaf-vein channel

图2. 仿生叶脉通道结构图

共3组；四个新型叶脉液冷流道结构布置在每组电池两侧冷却电池；且这些液冷通道结构被PCM (长，宽，高：144 mm × 65 mm × 96 mm)包裹，如图1所示。为了简化模型，忽略了正负端子。为了提高散热系统的工作效率，降低动力电池的整体温度，改善电池包温度场的均匀性，参考自然界的叶脉，设计了一种新型的仿生叶脉通道，如图2所示。冷却剂从一侧入口流入后，从直通道段分岔流，然后汇流到另一侧直通道，最后从另一侧出口流出。通道的入口和出口之间的长度为144 mm，并且通道的宽度和高度为4 mm。

2.2. 数学模型

2.2.1. 锂电池仿真模型的建立

本文采用研究对象18650动力锂电池相关参数如表1所示。由于锂电池内部结构较为复杂，且受技术限制，难以模拟出锂电池复杂的内部生热，因此本文采用相对简化的三维热效应模型，针对研究对象进行建模仿真。故本文对锂电池做出如下合理假设，以便于模拟。

1) 组成电池的所有材料分布均匀，同一方向热物性分别一致；

2) 忽略电池内部热辐射；

Table 1. 18650 power lithium battery parameters

表1. 18650动力锂电池相关参数[12]

参数	数值	参数	数值
额定容量(mAh)	2000	充电截止电压(V)	4.2
标准电压(V)	3.6/3.7	放电截止电压(V)	2.75
重量(g)	45	最大放电电流(A)	10
高度(mm)	65	直径(mm)	18
内阻(mΩ)	25	-	-

3) 电池导热系数，比热容均为固定值，不随温度和放电深度改变；

4) 放电时，电池生热速率不变，电流密度分布均匀。

2.2.2. 物性参数

本文所设计的叶脉通道选用纯铝作为材料，选用去离子水作为冷却介质，本文所研究的不同材料的热物性参数如表2所示。

Table 2. Thermophysical parameters of different materials

表2. 不同材料的热物性参数

名称	密度(kg/m^3)	比热容(J/(kg∙K))	导热系数(W/(m∙K))	动力黏度(m^2/s)
LIB	2720	1282	${\lambda }_x={\lambda }_y=1.97$ ，${\lambda }_{\text{z}}=28.1$	\
去离子水	998.2	4183	0.62	8.8871 × 10^−^4
纯铝	2702.0	903.0	237.0	\

2.2.3. 初始条件和边界条件

本文采用商用数值模拟软件COMSOL进行研究，冷却液入口的雷诺数的范围为40到400，雷诺数小于2300，所以模型选择层流。在数值模拟过程中，设锂离子电池初始温度设和环境温度均设置为25℃，设冷却液入口水温为25℃，设电池组表面与外界自然对流的表面换热系数取为10 W/m²·K，出口压力默认为0 Pa，仿真采用瞬态计算。

2.2.4. 锂电池产热数值计算

根据上述模型假设，电池在圆柱坐标系下的三维热效应理论公式见式[13]：

$\rho C_p\frac{\partial T}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x}\left({\lambda }_x\frac{\partial T}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left({\lambda }_y\frac{\partial T}{\partial y}\right)+\frac{\partial }{\partial z}\left({\lambda }_z\frac{\partial T}{\partial z}\right)+q$ (1)

式中，$\rho$ 、$C_p$ 、q分别表示电池的密度、比热容和生热速率；${\lambda }_x$ 、${\lambda }_y$ 、${\lambda }_z$ 分别表示电池各个方向的导热系数；T、t分别为温度和时间。由上式可知，若是想求解出电池的温度分布情况，需提前确定电池的生热速率q和相关热物性参数$\rho$ 、$C_p$ 、$\lambda$ 。

使用目前较为普遍应用的Bernardi模型[14]作为单体电池的生热源机理，可知电池的产热公式如(2)所示：

$q=\frac{1}{V_b}\left[\left(U_{OCP}-U\right)+T\frac{\partial U_{OCP}}{\partial T}\right]$ (2)

式中，$U_{OCP}$ 表示电池开路电压；U表示电池工作电压；$V_b$ 表示电池体积；T表示电池温度；$\frac{\partial U_{OCP}}{\partial T}$ 表示电动势温度系数，是用于表征化学反应产热部分，一般取常数0.5 mV/K。

因为$U_{OCP}-U=I{R}_j$ ，所以公式(2)也可表示为公式(3)。电池在正常充放电过程中，内阻变化不大，一直为25 mΩ。由公式(3)可知，此模型把电池产热分为电池内阻产热与化学反应产热两部分。

$q=\frac{1}{V_b}\left[I^2{R}_j+IT\left(\frac{\partial U_{OCP}}{\partial T}\right)\right]$ (3)

一般情况下，汽车以恒定的速度行驶，它的放电倍率也保持恒定。但在某些特殊情况下，例如超车，爬坡时，汽车放电倍率会急剧变大。所以本文分别对放电倍率为1C、2C、3C、5C的情况下模拟单体锂电池自然对流散热，对应的电池生热功率见表3。

Table 3. Heat generation rate per unit volume of lithium battery

表3. 不同放电倍率下的电池产热量

放电倍率(C)	终止时间(s)	单位体积产热量(W/m^3)
1	3600	24,062
2	1800	60,216
3	1200	108,461
5	720	241,226

2.3. 模型验证

2.3.1. 锂离子电池单体生热速率模型验证

为保证电池组数值模拟的准确性，进行了单体电池的仿真验证，本文选取了锂离子电池在1C，2C，3C的放电倍率下电池温度的仿真结果与文献[12]中的实验进行对比验证，对比结果如表4所示可知在 1C、2C和3C放电时的电池表面实验平均温度分别为30.20℃、37.97℃和45.00℃与数值计算所得的30.89℃、37.85℃和44.67℃，误差只有2.28%、0.32%和0.73%。模拟仿真数据和实验数据存在一定偏差，这可能是由于模拟仿真研究对锂离子电池模型进行了假设、对锂离子电池热物性参数进行了简化、与空气的自然对流系数设置为定值等因素。但模拟仿真和实验得到的电池温度控制在5℃以内，偏差在合理的范围内，所以可以验证先前理论计算所得的生热功率与热物性参数的准确性，为之后的电池模组仿真计算提供依据。

Table 4. Comparative validation of simulation and experiment for single cell batteries

表4. 单体电池仿真与实验的对比验证

放电倍率	1C	2C	3C
实验平均温度(℃)	30.20	37.97	45.00
仿真平均温度(℃)	30.89	37.85	44.67
误差	2.28%	0.32%	0.73%

Figure 3. Grid independence verification

图3. 网格无关性验证

2.3.2. 网格策略及网格无关性验证

验证网格无关性对瞬态仿真结果具有重要意义，以电池组的最高温度作参考，本文的电池组模型在Comsol仿真软件中进行的网格划分，采用自由四面体网格划分模型。一般情况下，当模型中的网格数增加到一定程度时，计算精度不会继续明显提高。在雷诺数100，放电倍率3C的工况下，选择4种不同数量网格做无关性评价，结果如图3所示。可以看出，当网格数增加到361,635时，电池的最高温度变化不明显，同时考虑计算准确性和时间周期的前提下提高数值模拟的收敛速度，所以以网格数为361,635作为后续计算的基准网格数。

3. 结果与讨论

3.1. 不同放电倍率下纯相变材料包裹电池组性能影响

随着时代发展，人们对电池更高功率和能量密度的需求也越来越迫切，因此考虑一些极端情况如爬坡和拖车等高负荷的行驶情况，电池需要提供更多的功率，所以研究较高放电倍率是有必要的。本文研究的放电倍率范围为1C~5C。

如图4，图5所示是在环境温度和冷却水温度为25℃工况下相变冷却模式(石蜡RT-42)下，电池在不同放电速率(1C~5C)下的最高温度和温差随时间的变化：在相同的换热条件下，随着放电倍率的增加，电池的产热量也随之增加，导致最高温度和最大温差都在上升，1C~3C放电的最高温度趋势呈先上升后趋稳，但发现5C放电后期温度不再趋稳，明显上升，在放电结束时分别达到36.33℃、38.62℃、40.45℃和46.02℃，1C和2C放电倍率下，电池放电结束的最高温度在40℃以下，而在3C、5C的放电倍率下已然超出合理的最大温度范围；这是由于相变材料在放电的早期阶段吸收电池释放的热量，曲线的斜率最初减小。然后，当PCM达到相变温度时，其稳定，并最终随着PCM继续吸收锂电池模块释放的热量而增加，530 s后，电池模块的T_max已超过40℃，PCM的相变温度范围为38℃至43℃。因此，PCM出现故障，无法继续吸收电池产生的热量，导致电池温度升高。

此时在1~5C放电倍率下，电池的最大温差在合理的温差范围内，均保持在5℃以内。在1C放电

Figure 4. T_max of the battery module under different discharge rates (with PCM)

图4. 电池模块在不同放电率下的T_max (使用PCM)

Figure 5. ΔT_max of the battery module under different discharge rates (with PCM)

图5. 电池模块在不同放电率下的ΔT_max (使用PCM)

下，电池温度未达到相变温度，所以呈上升趋势，2C、3C放电下，相变材料吸收热量均匀温差，使温差呈先上升后下降的趋势，5C放电下相变材料在后期逐渐失效，温差仍不断升高。

研究结果表明，在1C、2C的放电速率下，使用相变冷却确保电池模块的T_max和ΔT_max保持在最佳温度范围内。然而，在3C和5C的放电速率下，电池温度满足正常要求，但尚未达到最佳工作温度，这将严重威胁电池组的寿命和安全使用，所以合适的电池热管理对于电动汽车来说是必要的。

3.2. 不同相变材料对电池温度分布的影响

为了考察不同相变材料对电池模块温度分布的影响，本研究选取了五种不同的相变材料进行数值模拟，具体物性参数见表5。

Table 5. Thermo-physical properties of PCM [15]-[19]

表5. PCM的热物理性质

编号	PCM种类	比热(J/kg·K)	潜热(kJ/kg)	相变温度区间(℃)	密度(kg/m^3)	导热率(W/m·K)
1	石蜡RT-42	2000	165	38~43	820	0.2
2	石蜡RT-31	2000	165	29~34	760	0.2
3	聚乙二醇1000	2680	249	35~40	1100	0.23
4	SAT-EG	1950	260	43~47	1400	0.25
5	RT44HC	2500	226.1	44~48	800	0.2

如图6所示是在环境温度和冷却水温度为25℃工况下相变冷却模式下，使用不同PCM的电池模块的温升曲线是不同的。电池的最大温差在合理的温差范围内，均保持在5℃以内。PCM 3、4、5具有较高的潜热值，电池模块在放电期间释放出的热量被其吸收，从而应该表现出较小的温度升高。然而，在放电结束时，使用PCM 4和PCM 5的电池模块的最高温度分别为45.98℃和48.68℃，其温度升高明显高于其他相变材料的温升，这主要是由于PCM的不同相变温度。PCM 4的相变温度范围为43℃~47℃，使得PCM 4只有在电池模块在放电后期达到43℃左右时才开始发挥作用，从而导致相变材料液相率低，吸收的热量较少，电池组模块的温度较高，PCM 5的同样相变温度区间过高，难以满足最高温度低于40℃的要求。PCM 1、2潜热值相同且为最低，但是PCM 2包裹的电池组温度最高为42.82℃小于PCM 1的最高温度46.02℃，由于PCM 2的相变温度过低，相变材料完全融化吸收大量热量，但后期相变材料逐渐失效，控温能力逐渐减弱，温度加速上升。如图中所示在放电的初始阶段，不同相变材料下的温度上升率相差不大，因为五种相变材料的导热率相差不大，若是PCM导热系数越高，其实吸收电池产生的热量就越快，放电初期温升率越大。PCM 3不仅具有足够高的潜热值，而且其相变区间温度35℃~40℃较为合理，所以使用PCM 3的电池模块在放电期间表现出最小的温度升高。为了将电池模块控制在25℃~40℃的最佳温度范围内，综合考虑了相变材料的关键参数，如潜热值、相变温度等，因此选择了PCM 3。

然而，使用PCM 3的电池模块的最高温度为40.90℃，仍然不满足热管理要求，得出在高放电率下仅依靠PCM在满足热管理要求方面存在挑战。为此，设计了一种PCM与液冷相结合的混合电池热管理方法，并进行了数值模拟。

(a) T_max (b) ΔT_max

Figure 6. T_max and ΔT_max of the battery module under 5C discharge rates with different PCM

图6. 采用不同PCM的电池模块在5C放电速率下的T_max和ΔT_max

3.3. 仿生叶脉流道与典型液冷流道的对比分析

直流道因其结构简单被广泛应用于电池的液冷模块中。通过将仿生叶脉流道与并联直流道进行对比，讨论其散热能力。为了保证对比准确性，在设计流道时确保了两流道的传热面积基本相同和入口横截面积相同。仿生叶脉流道的有效传热面积约为10,004 mm²，直流道的有效传热面积为10,040 mm²，入口截面积为16 mm²。在5C的放电倍率和环境温度25℃下，控制Re为100，对两组电池进行模拟，其温度、压力云图如图7，图8所示。由图可知，叶脉流道在电池放电结束时电池组的最高温度为37.91℃，在并联直流道冷却下的电池组最高温度为38.2℃，根据叶脉结构设计出仿叶脉型流道，增加了换热面积，拐角处多扰动，破坏边界层的发展，增加了整体的换热量。仿叶脉流道所产生的压降为3.64 Pa，并联直流道产生的压降为4.07 Pa，所设计的仿叶脉流道也没有因其多分支而产生压降增大的问题从而节省了泵功。在最高温度和压降中都体现了叶脉流道的优越性，后续针对叶脉流道进行进一步分析讨论。

(a) lobe flow channel (b) direct flow channel

Figure 7. Temperature cloud of the battery pack under the effect of two flow channels: (a) lobe flow channel; (b) direct flow channel

图7. 两种流道作用下的电池组温度云图：(a) 叶脉流道；(b) 直流道

(a) lobe flow channel (b) direct flow channel

Figure 8. Pressure cloud of the battery pack under the action of two flow channels: (a) lobe flow channel; (b) direct flow channel

图8. 两种流道作用下的电池组压力云图：(a) 叶脉流道；(b) 直流道

3.4. 环境温度对电池模块温度分布的影响

从图9、图10中可以明显看出，在5C放电倍率下，当入口雷诺数(Re)保持恒定时，环境温度从25℃升高到30℃会导致电池模块的T_max升高，ΔT_max也随之增大。结果表明，在环境温度为25℃、Re为100的条件下，新设计的混合式相变热管理系统能够有效地将电池模块保持在最佳温度范围内，相变材料的液相率为78.8%。一般而言，PCM的液相分数约为80%，这通常被认为是合适的[20]。然而，当环境温度为28℃、30℃时，其温度已经接近该PCM的相变温度35℃，虽然在相变材料和液冷的共同作用下使最高温度和最大温差都满足热管理要求，但是PCM已经完全熔化和失效。不利于电池的安全运行。以下章节将讨论入口雷诺数对电池模块温度分布的影响。

3.5. 冷却剂入口雷诺数对电池模块温度分布的影响

如表6所示，随着冷却剂入口雷诺数的增加，冷却剂的压降增加。同时，这有效地控制了电池模块的T_max当进口雷诺数从25增加到500时电池模块的T_max从38.69℃下降至37.33℃，降幅为3.52%，当进口雷诺数增加到150时，电池模块内的ΔT逐渐减小，逐渐增大到500后ΔT又开始增大，这一结果可能源于液体冷却和PCM熔化的联合效应。因为随着入口Re的增加，冷却剂的扰动将增加，边界层厚度将减小，从而提高了传热效率。但与此同时，相变材料的温度均匀化效果减弱，但是ΔT_max变化幅度不大，保持在2.5℃左右，有效将ΔT_max维持在5℃以内，满足电池热管理的要求。

在本文相变耦合液冷的研究中，不仅要充分利用相变材料在相变过程中的吸热，而且要防止相变材料的完全熔化失效。结合表6可以发现，当Re为25时，锂电池的T_max和ΔT_max虽然满足要求，但PCM的相变率达到96.4%，接近完全熔化。通过将入口Re增加到100，由电池产生的一部分热可以被PCM带

(a) T_max (b) ΔT_max

Figure 9. T_max and ΔT_max of the battery module under 5C discharge rates with different ambient temperature

图9. 采用不同环境温度下PCM电池模块在5C放电速率下的T_max和ΔT_max

Figure 10. Phase change rate of PCM under 5C discharge rates with different ambient temperature

图10. 采用不同环境温度下PCM电池模块在5C放电速率下的相变速率

走。如图11所示，此时的PCM的相变率为78.8%。这确保了足够的热容量来吸收和释放热量，同时保持PCM的稳定性和可靠性。继续将Re增加到500，冷却剂和管道之间的扰动变得更强烈，导致更大的热交换。相变材料的相变率降低到57.6%，均匀吸热效果进一步降低。因此，电池模块的ΔT_max呈现先降低后升高的趋势。综合考虑，在此工况下，推荐采用Re为100作为合适的Re，此时的压降为3.64 Pa，相变材料的相变率为78.8%。

Table 6. Simulation at different coolant inlet Reynolds numbers

表6. 不同冷却剂进口雷诺数下的模拟

Re	Tmax (℃)	Tmin (℃)	ΔT (℃)	ΔP (Pa)	液相率(%)
25	38.69	36.01	2.68	0.57	96.4
50	38.30	35.72	2.58	1.31	90
100	37.91	35.43	2.48	3.64	78.8
150	37.84	35.43	2.41	7.21	66.2
200	37.79	35.32	2.47	12.1	74.9
300	37.57	35.09	2.48	25.7	67.3
500	37.33	34.79	2.54	69	57.6

Figure 11. Phase change rate of PCM with coolant inlet Reynolds number 100

图11. 入口雷诺数Re = 100下电池模块的PCM液相率

4. 结论

本文设计了一种基于相变材料的电池组耦合液冷的混合电池热管理系统，探讨耦合散热结构的有效性，并从放电速率、不同相变材料、环境温度和入口雷诺数对电池散热性能的影响进行了数值分析，主要结论如下：

1) 采用PCM包覆锂离子电池可以有效降低电池模块最高温度和提高温度的均匀性，然而在高放电倍率下，PCM逐渐熔化失效，温度持续增大，在放电结束时达到46.02℃，电池的ΔT_max保持在5℃内。

2) 考察不同相变材料对电池模块温度分布的影响，PCM 3具有高潜热值和合理的相变温度区间，在其作用下T_max为40.90℃，仍然不满足热管理要求，在高放电率下仅依靠PCM在满足热管理要求方面存在挑战。

3) 在5C放电倍率和Re为100的情况下，与传统并联直流道相比，新型叶脉液冷结构作用下的电池组的最高温度和压降具有出色的性能表现。

4) 设计了一种PCM与液冷相结合的混合电池热管理系统，与纯PCM冷却相比新型混合BTMS具有出色的散热性能。在5C的高放电倍率下，环境温度从25℃升温到30℃，电池模块的T_max和ΔT_max也随之增大。结果显示在环境温度为25℃、Re为100时，混合式BTMS满足热管理要求，PCM的液相率为78.8%。

5) 通过调节入口雷诺数，仿真结果表明，在5C下，Re为100时电池组件的T_max为37.91℃，ΔT_max为2.48℃，流量压降仅为3.64 Pa，PCM液相率低于80%，从而防止PCM完全熔化和失效。