來源 | Journal of Energy Storage
背景介紹
電動汽車在緩解氣候變化和排放污染問題方面發揮著重要作用。鋰離子電池作為電動汽車的動力源和儲能系統，具有高電壓、高功率和能量密度、長循環壽命和高安全性的優良性能。然而，大量研究和實例已經證實，受環境溫度影響，電池的循環壽命和充放電倍率面臨著嚴峻的挑戰，例如，長時間的高溫可能導致電池熱失控和火災安全事故，因此，增強散熱和冷卻電池的高效熱設計是電動汽車的一項必要技術。然而，目前電池熱管理仍然難以在所有氣候條件下同時兼顧散熱和低溫加熱功能。
電池熱管理系統可以實現熱量的有序管理，是解決當前電池面臨的挑戰的有效技術手段。例如，為了提高電池在低溫下的電化學性能，先前的研究已經開發了多種加熱策略，主流技術可分為內部加熱方法和外部加熱方法。當前，我們應該進一步揭示低溫加熱過程中對電池電化學性能恢復和內部傳熱的影響。熱管理系統是電動汽車的關鍵系統組件，具有低溫加熱和高溫散熱雙重功能的開發設計將是未來電池熱設計的重要趨勢。
02
成果掠影
近期，河北工業大學能源與環境工程學院饒中浩教授團隊提出了一種集成電池熱管理系統（IBTM），它包括散熱和低溫加熱功能。在一體化結構設計中，復合相變材料由于潛熱大，CPCM（CPCM）具有很強的吸熱能力，而薄的聚酰亞胺加熱膜（PHF）可以方便地組裝到電池模塊中。實驗和仿真結果驗證了采用連續脈沖預熱結合電池低功率自預熱的加熱策略，電池模塊的電化學性能可以獲得良好的可恢復性。與常溫10℃相比，充放電電池模塊容量分別恢復至92.1%和93.3%。此外，散熱性能測試結果也表明IBTM具有出色的溫度控制和均勻能力。電池模組最高溫度和最大溫差始終分別控制在52℃和1.8℃以內。研究成果以“Experimental and numerical simulation study on the integrated thermal management system for electric vehicles”為題發表于《Journal of Energy Storage》。
圖1 a)基于CPCM結合PHF的集成熱管理系統原理圖，b)單個PHF包裹電池。
圖2 電池模塊在不同溫度下的性能：a）充電容量，b）溫度升高，c和d）充放電電壓曲線。
圖3 在不同溫度5和10℃下，容量隨循環數和放電電壓曲線的變化。
圖4 電池模塊的溫度變化：a)加熱和b)加熱10℃后0.5-1.0C充放電過程；不同加熱模式下的溫度穩定性：c)12W加熱功率，d)不同脈沖比脈沖加熱功率6W。
圖5 a)脈沖保溫35分鐘，b)連續脈沖保溫結合內部預熱，c)電壓曲線隨不同加熱策略的變化而變化，d)不同加熱策略下的充放電容量。
圖6 電池模塊的橫截面溫度云分布：a）加熱至10℃；b）脈沖保溫結合0.5C充電35分鐘；c和d）電池模塊在不同加熱策略下的內部溫度分布。
圖7 a）外部加熱模式和b）連續脈沖預熱結合低功率充電預熱的示意圖。
圖8 高溫散熱性能：a、c)不含PHF，b、d)含PHF。
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