基于电化学热耦合模型的电池热管理研究

动力锂电池在快速充放电过程中,会产生大量的热量,具有热积聚热失控的风险,要对电池进行热管理。本文首先建立了电池电化学热耦合模型,对电池的温升特性进行研究,然后设计了基于复合相变材料（CPCM）的电池热管理系统,对电池在高倍率放电过程中进行控温管理,最后,比较了不同电池间距情况下,电池热管理系统对电池温度和温差的控制效果。数值仿真结果表明,单电池在3 C倍率放电过程中,电池最高温度为58.9℃,而当采用复合相变材料对电池冷却时,即使在35℃的环境温度下,也可以有效把电池最高温度控制在46.1℃,温差控制在3.6℃,从而能确保电池在适宜工作温度内安全运行,延长电池组的使用寿命和提高电池安全性能。更重要的是,通过对复合相变材料的固相率进行分析表明,固相率不为0时,可以有效控制电池温度和温差,而当热管理系统中的复合相变材料固相率为0时,电池组温度和温差均快速升高,因此通过对复合相变材料固相率指数进行分析,有助于复合相变材料的应用及热管理系统的优化。     

汽车空调制冷剂直冷动力电池热管理系统的PID控制研究

电池热管理对电动汽车的安全和寿命至关重要。本文采用铝翅片铜管作为基础结构,设计一种结构紧凑、轻量型的18650型锂离子电池模组,采用基于PID原理的算法作为电动汽车空调系统电子膨胀阀的控制方案,实验研究R134a制冷剂直接气液两相流冷却电池模组的换热性能。结果表明：所提出的电池热管理系统能够快速响应温度的变化,并降低电池模组的温度。此外,当控制方案为动态温度PID算法时,电池模组以1 C倍率放电过程中电池之间的最大温差小于4℃,并且电池模组的最高温度低于36℃。     

Thermal management of lithium-ion batteries using phase change materials

良好的热管理系统是电池安全及高效使用的保证,电池的热管理需要确保电池温度在安全温度范围以及电池组内最大温差不超过5 ℃.传统的热管理方式,如空气冷却,不仅需要额外的动力输入,而且越来越不能满足高能量密度的新型锂离子电池的热管理需要.使用相变材料的电池热管理系统,利用相变材料的相变潜热吸收电池产生的热量,在不使用外界功耗的条件下,可以长时间保持电池的温度在适宜的范围内.通过与膨胀石墨,金属泡沫复合,相变材料的热导率可以大大提高,电池组内体系温度均匀性可以满足工作要求.而且,相变材料的形状不固定,可以使用在任意形状的电池上.被动式热管理是应用于电池热管理系统中最具前景的技术.     

基于热电制冷的电池模组热特性试验研究

本文依据单位面积制冷量和能效值β两个参数,选用TEC1-12711T150作为电池模组的核心制冷元件;搭建了具有泡沫铜和石蜡复合传热结构的电池模组(3×5阵列)试验台;设计3组对照试验:自然对流方式、液冷方式和热电制冷方式,分别测试电池模组在不同换热方式、不同发热功率下的热特性,验证热电制冷技术在电池模组热管理方面的可行性。试验表明:单体电池发热功率为2 W时,热电制冷片(Thermoelectric cooler TEC)冷却方式下电池模组历时约1 280 S后可趋近稳定状态,且达到稳态时电池模组最高温度仅有31. 5℃,远低于液冷方式的44. 5℃。     

基于液冷电池模组的结构优化与热蔓延抑制

本工作通过数值仿真研究了一种新型液冷壳体结构的电池模组热性能,并通过实验测量验证液冷壳体结构的散热和热蔓延抑制特性。模组由4×5颗圆柱电池和液冷壳体组成,壳体内部设计流道提供液冷散热。仿真模型通过建立电池模组的等效电路子模型(ECM)模拟电池产热,研究壳体内部流道排布对热性能影响,以电池模组最高温度、最大温差和进出口压降作为性能评价指标,并引入期望函数以获得优化的壳体流道排布。基于优化的流道组合制备了一进两出的液冷壳体,组装三元18650真实电池模组进行热性能实验研究。研究发现：一进两出结构的热性能优于一进一出结构,3 C放电速率和1 m/s入口流速下与基准案例相比,最优情形1(短边侧一进两出流道排布)的最高温度增加了0.3%,但温差减少了8.87%,压差减少了66.5%。真实电池模组实验中充放电倍率越大,电池温度越高,汇流排焦耳效应影响越大。降低冷却液温度会导致放电时间变短、电池模组能量效率下降。最后采用高功率电池产热模型模拟热失控,实验发现在热失控功率600 W下相邻电池温度在57.4℃,不会发生热失控与热蔓延,即新型液冷壳体兼具散热、均温和热蔓延抑制作用。     

二元有机复合相变材料相变过程热特性实验研究

二元有机复合相变材料因其无腐蚀性、过冷度低、价格低廉和可循环性的优点,在电子器件散热过程中极具发展潜力。通过差示扫描量热法(DSC)测得 4 种脂肪酸和 4 种脂肪醇相变温度与潜热,然后利用准共晶相变理论计算脂肪酸/醇二元有机复合相变材料共晶点,确定 4 种相变温度在 33～37 ℃ 范围内的复合体系,并通过 DSC 实验测量二元体系相变特性。实验结果表明,筛选出的二元有机复合相变材料相变温度分布在 33.08～36.63 ℃,与理论相变温度偏差在0.30%～4.61%;相变潜热分布在 138.5～215 kJ·kg^-1,与理论相变潜热偏差在 0.4%～27%;十二酸与十八醇复合相变材料具有最高的相变潜热(215 kJ·kg^-1),相变温度为 36.5 ℃。研究结果可为有机复合相变材料在电子器件热管理中的应用提供技术参考。     

锂离子电池热性能的研究

良好的热管理系统是锂离子电池安全及高效使用的保证,电池热管理需要确保电池在安全温度范围内且电池组内最大温差不超过5℃。文中运用UDF建立生热速率随放电时间变化的内热源模型,研究单体电池及电池组在不同工况条件下电池的热性能及小通道对锂电池热管理系统的冷却性能。电池侧以电池组的最高温度、最大温差以及不均匀度反映小通道对电池组热性能的影响。小通道侧运用努塞尔数反映小通道的对流传热特性。模拟结果显示,锂离子电池的放电速率越大,电池内部温度升的越快,电池所处的环境对电池热性能影响较大。同时,小通道中冷却流体的流速和种类对锂离子电池的最高温度、最大温差以及不均匀度影响显著。     

电池排布对锂电池组相变热管理性能的影响

为了探究电池单体排布对锂电池组热管理性能的影响,采用COMSOL Multiphysics软件建立相变冷却耦合空气冷却锂电池组散热模型,模拟不同单体电池间距以及相变材料用量下电池组温度场变化情况.研究发现,当单体电池均匀排布时,随着电池间距的增大,相变冷却系统内温差先降低后升高,在10 mm时温度均匀性最优.维持相变材...     

石墨-石蜡复合相变材料的圆柱型动力电池组热管理性能

本工作以21700容量型NCM811锂离子动力电池为研究对象,设计了正六边形布置的电池模组,外覆圆柱型石墨-石蜡复合相变材料的结构.利用数值模拟方法探究了不同恒定倍率放电,以及相邻两电池不同间距对模组热特性的影响.结果表明,对于不同倍率,相邻电池间距对电池模组高倍率放电过程中的温度影响要远大于低倍率放电过程,而对于相同倍率,小间距模组从放电开始至结束的温升要高于中间距和大间距模组.电池温度的变化相对于热流量在时间上有一定滞后,通过监测热流量的数值,能够对电池热管理的失效做出提前预知,提高电池组的安全性.     

绝缘油浸没式冷却小型NCM811动力电池模组的温度场特性实验

锂离子电池因具有比能量密度大、放电功率高及生产工艺成熟等优势已成为电动汽车的主要储能单元。但是锂离子电池在充放电过程中会产生大量热,严重影响其运行安全和使用寿命。因此在锂离子电池运行过程中加入热管理系统,对于提高锂离子电池模组运行过程中安全性和使用寿命有重要作用。本工作以21700容量型NCM811锂离子动力电池模组为研究对象,通过实验研究了在不同充放电倍率下,绝缘油浸没式冷却系统在绝缘油静态冷却条件下的油浸没量(V_R=0.2、0.5和1)、环境温度(15℃、20℃、25℃和30℃)以及绝缘油动态冷却条件下油浸没量(V_R=0.2、0.5和1)、流量(3 m L/s、6 m L/s、9 m L/s和12 mL/s)和进出口位置变化对于电池模组温升特性的影响。结果表明,绝缘油浸没式冷却系统的应用对于降低模组最高温度及提高模组温度均匀性效果明显,在绝缘油静态冷却条件下,随着油浸没量增加,热管理效果提升明显,同时热管理效果对于环境温度变化十分敏感;在绝缘油动态冷却条件下,随着油浸没量和流量的增加,以及进出口方式的改变,电池模组热管理效果同样明显提升。     

动力电池组复合冷却系统优化及实验研究北大核心CSCD

为解决动力电池组温度过高和不均匀的问题,设计了复合相变材料与液冷结合的复合电池冷却系统,研究不同参数对动力电池复合冷却系统性能的影响。多因素正交设计计算结果显示,冷却液入口温度为20℃,入口流速为3 m/s,通道直径为7 mm时,系统达到最佳的冷却性能。实验结果表明,在常温(25℃)和高温(40℃)环境下,与单一相变冷却系统相比,复合冷却系统具有较好的环境适应性。     

储能锂电池模组温度场数值计算与散热系统优化设计

储能电池热失控是引发储能电站事故的主要因素之一,储能电池的热管理对电池使用效率、寿命以及运行安全具有重要意义。本文设计了以60系列大圆柱电池单体为基本单元、额定电量为11.52 kWh的储能电池模组,基于有限元方法建立了电池模组热流耦合数值计算模型,分析电池模组内部风道空气流速以及电池组温度场分布规律,并开展储能电池模组原型充放电温升试验,验证数值计算结果的准确性。进一步优化储能电池模组的温度场分布,通过调整散热孔排布方式对电池模组进行了优化设计,提出一种侧面U形开孔结构,储能电池模组的温度一致性和电芯最大温度得到了显著改善。优化后,模组电芯最大温差降低2.6℃,温度标准偏差降低1.18,研究结论可为储能电池模组温升计算与散热设计提供参考。     

Review on phase change materials based battery thermal management technology

因环保和节能的需要,电动汽车必将成为未来汽车发展的重要方向。影响电池性能、寿命的热管理技术近年来发展迅速。电池热管理根据其传热介质分为空气冷却技术、液体冷却技术和相变材料冷却技术。本文根据近年来国内外对基于相变材料的动力电池热管理研究状况,综述了电池热管理相变材料的研究进展,重点总结了用于电池热管理的相变材料、PCM/高导热粒子、PCM/泡沫金属以及PCM用于电池热管理的形式。     

电池热管理用相变储能材料的研究进展

因环保和节能的需要,电动汽车必将成为未来汽车发展的重要方向。影响电池性能、寿命的热管理技术近年来发展迅速。电池热管理根据其传热介质分为空气冷却技术、液体冷却技术和相变材料冷却技术。本文根据近年来国内外对基于相变材料的动力电池热管理研究状况,综述了电池热管理相变材料的研究进展,重点总结了用于电池热管理的相变材料、PCM/高导热粒子、PCM/泡沫金属以及PCM用于电池热管理的形式。     

纯电动汽车冷媒直冷夏季热管理系统性能模拟

提出纯电动汽车整车热管理夏季方案,电池与乘客舱用制冷剂回路并联冷却,其中电池由制冷剂分支通过热管来冷却,电机采用液冷。在联邦测试-72工况下用系统模拟的方法进行测试。乘客舱温度经过57 s,从35℃降到设定温度24℃,随后保持动态平衡;电池温度在68 s左右达到设定温度25℃,然后维持设定温度以下;电机温度在前期迅速升高,最高为61℃,随后冷却液与外界换热增强,温度最终下降至52℃,未超出电机热管理目标80℃。     

泡沫金属-PCM-液冷复合方式下动力电池散热分析

电池是电动汽车的核心动力元件,而电池的热管理系统是动力电池发挥最佳工作性能的重要保障,在保证最佳工作性能的同时提升汽车安全性能、电池寿命及能源利用效率。基于21700NCA圆柱型三元锂离子电池,建立以泡沫铝为支撑骨架的电池组系统,在骨架和电池之间的孔隙注入相变材料（PCM）以提高结构内部温度均匀性,在电池底部添加液冷板来强化冷却效果,利用计算流体力学（CFD）仿真技术分析单体电池的耦合散热效果。结果表明,与单一冷却模式相比,使用泡沫金属与相变材料、液体冷却的耦合散热系统,可以达到更加良好的散热效果;对于相变材料,在一定密度范围内,密度越大,对电池系统的冷却效果越好,混合比主要影响相变材料的凝固融化速率。     

多通道平行流扁管-紧凑式翅片相变蓄热器蓄/放热性能

工业余热浪费严重、利用率较低且实际应用过程中受到时间和空间的限制,需要高效蓄热技术和装置来解决此类问题。提出一种将多通道平行流扁管与紧凑式翅片相结合的新型相变蓄热器,以水为载热流体,月桂酸为相变材料。实验研究了载热流体注入方式、流量、入口温度对蓄热器蓄/放热性能的影响,并分析小温差下蓄热器的传热特性。结果显示,该蓄热器相变材料填充率为82.5%,紧凑式翅片的采用极大强化了相变材料侧换热过程,蓄/放热性能优良。当载热流体入口温度分别为45℃和41℃时,相变材料约在270 min和75 min完成相变,最小蓄/放热温差可达2℃,最小温差时的平均蓄热比功率为25.18 W/kg,平均取热比功率为20.23 W/kg。     

液冷式锂离子电池组可靠性分析及优化设计

锂离子电池已广泛应用于新能源汽车等领域,其可靠性的高低将会直接影响车况。锂离子电池组需要依靠高效的热管理系统来保障其安全可靠运行,其中液冷散热系统对于电池组整体温度的控制及温度均匀性的控制都有很好的效果。通过建立的液冷式锂离子电池组的有限元仿真模型,仿真对比蛇形和双倒U形两种冷却通道对电池组的散热效果。采用的双倒U形比蛇形冷却通道具有更好的效果,电池组的最高温度降低了17.2℃,温差降低了12.1℃。采用冷却效果更好的双倒U形冷却通道作为待优化结构,并通过调整冷却液入口温度、流量及加置石墨烯薄膜三种途径进一步降低电池组整体温度及提高温度均匀性。通过优化设计,电池组最高温度降低了32.2%,温差降低了59.2%,局部过热的问题得到了缓解,电池组的可靠性得到提高。     

NCR18650A电池的充放电温度特性与管理

采用实验测试与数值仿真的方法对NCR18650A三元锂电池组在1 ~ 3 C放电和1.6 C充电过程的温升特性进行测试,同时验证所建立电池产热模型的准确性。结果显示,实验测试结果与电池产热模型仿真结果之间的相对误差在合理范围内,满足工程应用需求。电池组在自然冷却的情况下,仅在1 C放电状态下符合其最佳工作区间42.5 ~ 45.0℃的要求,3 C放电倍率下最高温度为89.4℃。提出并建立基于热电致冷主动热管理模型,将热电致冷组件设置在电池组上方,致冷功率为50 W时可有效控制电池组3 C放电过程的温度,在最佳工作区间实现电池单体温差小于5℃,抑制电池组的热失效并实现良好的均温性。     

锂离子电池热管理技术

电动汽车在应对气候变化和减少碳排放方面显示出了巨大潜力,电池作为电动汽车的动力来源,在性能和安全方面受温度影响很大。一套有效的热管理控制系统能使电池组温度保持在最佳工作范围内,提高整车的续驶里程。主要总结了目前对电池进行散热和保温的主流电池热管理技术——风冷、液冷、相变冷却、热管冷却以及电池加热技术。提出电池热管理技术应往智能化、集成化、与机器学习相结合、能够自适应调节电池生态温度的方向发展,将会有很大的研究空间。