基于蜂窩結構復合液冷相變材料的軟包鋰離子電池熱管理數值研究

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來源 |  Journal of Energy Storage



01

背景介紹

鋰離子電池在電壓、能量密度、自放電率和循環壽命方面與其他儲能電池相比具有不可替代的地位,廣泛應用于電動汽車和儲能系統中。隨著電池材料和結構的發展,鋰離子電池的能量密度也在不斷提高。隨著電池能量密度的不斷提高,對電池的熱安全性提出了更高的要求。然而,鋰離子電池的性能和壽命受溫度影響很大。低溫會減慢化學反應速率,增加內阻并降低鋰離子電池的容量。高溫加速電池結構件的老化,降低電池性能和壽命,降低熱安全性,甚至引起電池熱失控。

電池系統由許多電池單元組成,因此需要開發高性能的電池熱管理系統,使電池保持在最佳工作溫度范圍內,并將電池之間的溫差控制在一定范圍內。此外,對于大型電池,需要減小單體電池不同部位之間的溫差,以減少熱應力對電池結構的破壞。目前,鋰離子電池的熱管理技術可分為主動冷卻、被動冷卻和混合冷卻三種形式,常見的主動冷卻方式包括強制風冷和液冷。



02

成果掠影

基于蜂窩結構復合液冷相變材料的軟包鋰離子電池熱管理數值研究的圖2

近期,中國科學院寧波材料技術與工程研究所田爽老師團隊針對鋰離子軟包電池模塊的溫升和溫差問題,提出了一種新型混合液體和相變材料(PCM)蜂窩結構的電池熱管理系統(BTMS)。開路電壓(OCV)、內阻、開路電壓溫度導數、比熱容和導熱系數電池的性能是通過實驗獲得的。

對比風冷、PCM冷卻和混合冷卻三種BTMS,發現使用風冷方案電池溫度超過工作溫度,而液體PCM冷卻(LPCM)的混合冷卻方案可以有效控制電池的最高溫度。當冷卻液流速為0.06 m/s、入口溫度溫度為36℃,電池的最高溫度和最大溫差分別為42.3℃和4.3℃,LPCM具有最佳的熱管理性能。結果表明,BTMS數值模型可為采用混合液冷的PCM方案設計提供參考。

相關研究成果以“Numerical study of thermal management of pouch lithium-ion battery based on composite liquid-cooled phase change materials with honeycomb structure”為題發表于《Journal of Energy Storage》。


03
圖文導讀

基于蜂窩結構復合液冷相變材料的軟包鋰離子電池熱管理數值研究的圖3

圖1 (a)單元格的幾何圖形;(b)該模塊的原理圖;LPCM的(c)爆炸視圖;(d) LPCM幾何圖形

基于蜂窩結構復合液冷相變材料的軟包鋰離子電池熱管理數值研究的圖4

圖2 測試電池的電氣和熱性能的實驗裝置

基于蜂窩結構復合液冷相變材料的軟包鋰離子電池熱管理數值研究的圖5

圖3 實驗數據:(a) OCV vs;SOC在25年℃;(b)dE/dTvsSOC;(c)電池極化內阻和歐姆內阻為25℃

基于蜂窩結構復合液冷相變材料的軟包鋰離子電池熱管理數值研究的圖6

圖4 (a)電壓擬合數值模擬;(b)表面溫度擬合數值模擬

基于蜂窩結構復合液冷相變材料的軟包鋰離子電池熱管理數值研究的圖7

圖5 (a)對LPCM進行網格的網格劃分方法;(b)網格獨立性測試;(c)時間步長獨立性

基于蜂窩結構復合液冷相變材料的軟包鋰離子電池熱管理數值研究的圖8

圖6 平行相變液冷卻板結構

基于蜂窩結構復合液冷相變材料的軟包鋰離子電池熱管理數值研究的圖9

圖7 PCM、LPCM和平行冷卻解決方案的比較;(a)溫度;(b)液體的體積分數。


END



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