一种用于锂离子电池组热管理的液体冷却系统

来源 | Thermal Science and Engineering Progress

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

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背景介绍

近年来，由于对化石燃料消耗和尾气碳排放的日益关注，电动汽车的发展速度显著加快。锂离子电池因其能量密度高、自放电率低、维护要求低、循环寿命长、重量轻、结构紧凑等特点，是目前电动汽车使用最广泛的电源。然而，锂离子电池的性能受工作温度的影响很大。锂离子电池理想的工作温度范围为25 ~ 40℃，不同电池之间的最高温差小于5℃。在低温或高温环境下工作都会导致电池性能下降，寿命缩短，甚至热失控。因此，一个优秀的电池热管理系统(BTMS)对于保证锂离子电池安全高效的运行状态是非常必要的。

根据冷却策略的不同，BTMS可分为被动冷却系统、主动冷却系统和被动与主动相结合的混合系统。在被动冷却系统中，没有任何额外的功耗，但它们也不能控制冷却系统来改变冷却速率。在锂离子电池表面实施特殊的材料或散热结构，以实现电池与外部环境之间的高传热能力。典型的例子包括自然空气对流，相变材料(PCM)和热管。

被动空气冷却的冷却能力很低，不适合冷却高能量密度的锂离子电池。PCM在融冻过程中能够储存和释放大量的能量，近年来受到越来越多的关注。将PCM装入BTMS的主要优点是可以实现良好的电池温度均匀性和灵活的几何形状。然而，PCM的低导热性阻碍了电池的散热速率，在高速率充放电条件下存在严重的隐患。因此开发出具有优异的散热性能的新能源电车的电池热管理系统是非常重要的。

02

成果掠影

近期，哈尔滨工业大学冯宇教授团队针对液冷电池热管理系统(BTMS)取得新进展。

由于常见的线性流道结构导致了严重的温度分布不均匀。该团队提出了一种具有多通道的新型锥形通道散热器，以提高电池温度均匀性，降低BTMS的功耗。团队分析比较了8种不同设计的电池最高温度和温差、温度不均分布参数和功耗性能，同时，分析了延迟冷却策略对液冷系统温度均匀性的影响。结果表明，采用锥形通道散热器结构可以改善BTMS的冷却性能，而增加通道数可以改善热性能，但代价是增加功耗。三道通道的锥形流形结构具有最佳的冷却性能，在电池温度和温差限制内，其功耗比基础降低了86.3%。此外，延迟冷却方案对BTM并不是一个很好的策略，因为它会在很短的时间内积累较大的温差。这些结果对先进的液冷BTMS的设计具有重要意义。

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”为题发表于《Thermal Science and Engineering Progress》。

03

图文导读

 

图1.带流形通道散热器的BTMS的原理图。

表1.电池、冷却剂和材料的热物理特性。

图2.仿真电池组的几何模型，(a)矩形流形结构，(b)锥形流形结构。

图3.具有四个通道的锥型通道示意图。

图4. 基本模组示意图。

图5.仿真结果与实验数据比较：(a)电池平均温度，(b)流形微通道散热器的热性能。

图6.(a)电池体积平均温度，(b)通道流速的分布。

图7.(a)电池最高温度，(b)电池最高温差，(c)电池温度不均分布。

图8. 不同通道的热力学性能。

 

图9.矩形和锥形结构的电池体积平均温度和速度的比较。

 

图10.电池的性能对比。

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