一種用于鋰離子電池組熱管理的液體冷卻系統(tǒng)

來源|Thermal Science and Engineering Progress

原文 |https://doi.org/10.1016/j.tsep.2023.101857

01

背景介紹

近年來，由于對(duì)化石燃料消耗和尾氣碳排放的日益關(guān)注，電動(dòng)汽車的發(fā)展速度顯著加快。鋰離子電池因其能量密度高、自放電率低、維護(hù)要求低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，是目前電動(dòng)汽車使用最廣泛的電源。然而，鋰離子電池的性能受工作溫度的影響很大。鋰離子電池理想的工作溫度范圍為25 ~ 40℃，不同電池之間的最高溫差小于5℃。在低溫或高溫環(huán)境下工作都會(huì)導(dǎo)致電池性能下降，壽命縮短，甚至熱失控。因此，一個(gè)優(yōu)秀的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)對(duì)于保證鋰離子電池安全高效的運(yùn)行狀態(tài)是非常必要的。

根據(jù)冷卻策略的不同，BTMS可分為被動(dòng)冷卻系統(tǒng)、主動(dòng)冷卻系統(tǒng)和被動(dòng)與主動(dòng)相結(jié)合的混合系統(tǒng)。在被動(dòng)冷卻系統(tǒng)中，沒有任何額外的功耗，但它們也不能控制冷卻系統(tǒng)來改變冷卻速率。在鋰離子電池表面實(shí)施特殊的材料或散熱結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)電池與外部環(huán)境之間的高傳熱能力。典型的例子包括自然空氣對(duì)流，相變材料(PCM)和熱管。

被動(dòng)空氣冷卻的冷卻能力很低，不適合冷卻高能量密度的鋰離子電池。PCM在融凍過程中能夠儲(chǔ)存和釋放大量的能量，近年來受到越來越多的關(guān)注。將PCM裝入BTMS的主要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)良好的電池溫度均勻性和靈活的幾何形狀。然而，PCM的低導(dǎo)熱性阻礙了電池的散熱速率，在高速率充放電條件下存在嚴(yán)重的隱患。因此開發(fā)出具有優(yōu)異的散熱性能的新能源電車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是非常重要的。

02

成果掠影

近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)馮宇教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)取得新進(jìn)展。

由于常見的線性流道結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了嚴(yán)重的溫度分布不均勻。該團(tuán)隊(duì)提出了一種具有多通道的新型錐形通道散熱器，以提高電池溫度均勻性，降低BTMS的功耗。團(tuán)隊(duì)分析比較了8種不同設(shè)計(jì)的電池最高溫度和溫差、溫度不均分布參數(shù)和功耗性能，同時(shí)，分析了延遲冷卻策略對(duì)液冷系統(tǒng)溫度均勻性的影響。結(jié)果表明，采用錐形通道散熱器結(jié)構(gòu)可以改善BTMS的冷卻性能，而增加通道數(shù)可以改善熱性能，但代價(jià)是增加功耗。三道通道的錐形流形結(jié)構(gòu)具有最佳的冷卻性能，在電池溫度和溫差限制內(nèi)，其功耗比基礎(chǔ)降低了86.3%。此外，延遲冷卻方案對(duì)BTM并不是一個(gè)很好的策略，因?yàn)樗鼤?huì)在很短的時(shí)間內(nèi)積累較大的溫差。這些結(jié)果對(duì)先進(jìn)的液冷BTMS的設(shè)計(jì)具有重要意義。

研究成果以“A manifold channel liquid cooling system with low-cost and high temperature uniformity for lithium-ion battery pack thermal management”為題發(fā)表于《Thermal Science and Engineering Progress》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.帶流形通道散熱器的BTMS的原理圖。

表1.電池、冷卻劑和材料的熱物理特性。

圖2.仿真電池組的幾何模型，(a)矩形流形結(jié)構(gòu)，(b)錐形流形結(jié)構(gòu)。

圖3.具有四個(gè)通道的錐型通道示意圖。

圖4. 基本模組示意圖。

圖5.仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較：(a)電池平均溫度，(b)流形微通道散熱器的熱性能。

圖6.(a)電池體積平均溫度，(b)通道流速的分布。

圖7.(a)電池最高溫度，(b)電池最高溫差，(c)電池溫度不均分布。

圖8.不同通道的熱力學(xué)性能。

圖9.矩形和錐形結(jié)構(gòu)的電池體積平均溫度和速度的比較。

圖10.電池的性能對(duì)比。

END

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審核編輯黃宇