相变与液冷相结合的电池热管理系统温控性能及优化策略研究

来源 |  Applied Thermal Engineering

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背景介绍

近年来，能源危机和环境污染问题日益严重，已成为制约社会发展、影响人类健康的关键因素。传统汽车以燃油为动力，其尾气加剧了环境污染。节能减排是未来社会的趋势。超过 120 个国家承诺到 2050 年或 2060 年实现碳中和。电动汽车的发展对于交通促进、能源转型和防止全球变暖具有重要意义。可回收电池是电动汽车的核心部件，其中锂离子电池以其能量密度大、寿命长、自放电率低等优点被广泛应用作为电动汽车的动力源。然而，锂离子电池的性能受其电极组成元素和工作温度影响较大，其热安全性是影响电动汽车发展的关键问题之一。锂离子电池的最佳工作温度范围为20℃至50℃。当温度过高时，锂离子电池的容量和寿命会下降，容易引起电池热失控甚至起火爆炸事故，尤其是高镍三元电池，此外，最大温差（Δ电池组的T max）应控制在5℃以下。因此，为了保证锂离子电池的安全，提高其工作效率和寿命，采用电池热管理系统（BTMS）是必要的。

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成果掠影

近期，中国科学技术大学王青松教授团队结合实验和数值模型，为十二个圆柱形锂离子电池设计了一种结合相变材料和液体冷却的新型热管理系统。实验结果表明，在环境温度35 ℃下，空白对照系统1 C充电和2 C放电时的最大温度和温差分别为57.6 ℃和4.1 ℃，而单液最大温差为3.6 ℃冷却。与它们相比，耦合系统的最高温度仅为44.8℃，最大温差小于2℃，具有优越的循环性能。此外，提出了电热模型来研究冷却剂的冷却效果，从中控制冷却剂流量在250 mL/min内是最佳选择。基于这些结果，通过监测电池组最高温度和环境温度，提出了冷却液流量和入口温度分级管理的优化策略。这种策略不仅可以在不同的环境温度下将系统的温度控制在所需的范围内，还可以减少液冷不必要的能耗。所提出的系统可扩展以应用于其他类型的电池进行热管理。通过监测电池组最高温度和环境温度，提出冷却液流量和入口温度分级管理的优化策略。研究成果以“Investigation on the temperature control performance and optimization strategy of a battery thermal management system combining phase change and liquid cooling”为题发表于《Applied Thermal Engineering》。

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图文导读

图1 CPCM的制备工艺流程图

图2 采用DSC计算的CPCM热流曲线

图3 CPCM的微观形态学表征

图4 BTMS的结构

图5 自动温度控制系统

图6 实验系统的示意图

图7 温度测量点(a)位置在电池组(b)位置

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