探究锂离子电池热管理的主被动冷却方法

来源 | Journal of Energy Storage

原文 | https://doi.org/10.1016/j.est.2023.106800

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背景介绍

化石燃料的枯竭、能源安全、气候变化、空气污染和碳排放是世界面临的最大挑战。在交通运输领域，以电池为动力的零排放汽车正在迅速取代传统的内燃机汽车。由于锂离子电池自放电率低、能量密度高、体积小、无记忆和使用寿命长，因此锂离子电池被广泛应用于混合动力汽车和电动汽车。研究也证明，锂离子电池在20至40 ℃的温度范围内有效工作，电池性能最佳。

然而，在快速充电或车辆爬坡时，会产生大量的热量。此外，在高工作温度下，电池的温度迅速上升，可能会降低电池的生命周期。热失控在锂离子电池中已经变得越来越普遍，热安全性已经成为阻止其使用的一个关键问题。如果这些热量不立即消散，不仅会降低电池性能，还会引发热失控，导致电池燃烧和爆炸。因此建立合适的热管理系统至关重要。

电池的安全性可以通过在电池热管理系统(BTMS)中监测来评估。常见的BTMS现在分为主动冷却系统和被动冷却系统。在主动冷却过程中，电池模组的热量通过空气或液体排出。而通过相变材料(PCM)冷却是被动冷却。PCM优于空气和液体热管理系统，因为它不需要风扇、泵和连接等电气机械设备。

为了提高锂离子电池的安全性，了解它们在高温下的行为至关重要。因此本文在不同的条件下，研究了不同条件下锂离子电池的主动和被动冷却的热管理效果。

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成果掠影

近期，美国能源高级研究中心的Naseem Iqbal教授团队为了提高锂离子电池的安全性，了解它们在高温下的行为，探究了不同的冷却方式以及模组的排列方式对新能源电池热管理的影响。该研究对电池组进行了一系列充放电实验，以评估热管理对电池组性能的影响。通过改变周围条件并使用相变材料来改善热管理，从而分析电池之间的温度分布。电池的一般充电放电模式显示，与未采用热管理的环境温度相比，温差高达约10 ℃，最终会随着长期使用的时间而降低电池的性能。主动冷却(空气冷却)改善了电池组内部的热管理，与环境温度相比，显示约6 ℃的温差。然而，被动冷却显著改善了电池组内部的热管理，与环境温度相比，温差约为3.5 ℃，这表明使用PCM对电池组进行热管理可以是一种真正提高电池组寿命和安全性的方法。研究成果以“Thermal management of Li-ion battery by using active and passive cooling method”为题发表于《Journal of Energy Storage》。

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图文导读

表1.不同冷却方式的优缺点。

图1.电池包模组的排列结构示意图。

图2.实验系统原理图。

图3.电池模组风冷结构示意图。

图4.风冷三维结构示意图。

图5.模组浸入Na2SO4⋅10H2O. 示意图。

图6.(a)没有任何冷却系统的室温下，(b)风冷，(c) PCM冷却下放电过程中的温度变化。

图7.(a)电池包1 (b)，电池包2 (c)电池包5放电时的温度变化示意图。

表2.不同冷却条件下不同电池模组的温度对比。

表3.不同冷却条件同一电池模组的温度对比。

表4.不同模组在不同条件下的热管理能力。

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