基于扁平熱管的電池熱管理系統耦合模型與熱電性能分析

熱管理博覽會

2023年9月4日 09:27

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來源 | Applied Thermal Engineering

背景介紹

如今，電動汽車已成為汽車行業的主流發展方向，對于解決能源短缺和環境惡化問題具有重要意義。動力電池是決定電動汽車整體性能的關鍵部件之一，近年來，鋰離子電池以其功率密度高、自放電率低、制造成本不斷降低等優點得以大力推廣。然而，不合適的工作溫度和不均勻的溫度分布會導致動力電池性能下降和壽命縮短，這也為電動汽車的發展帶來了挑戰。因此，采用適當的電池熱管理系統（BTMS）十分重要。

一般來說，BTMS的分類主要基于系統內采用的工作介質，包括風冷、液冷、熱管、相變材料（PCM）等。風冷具有結構簡單、維護成本低、輕量化設計和增強安全性等優點。然而，它的傳熱能力有限，特別是對于大型或高放電倍率的電池組，可能導致電池溫度升高或電池單元之間的溫差不均勻。液冷是電動汽車中最流行的 BTMS 方法，具有更高的傳熱系數，盡管如此，它也存在結構復雜、系統重量增加和泄漏風險等缺點。相變材料, 基于固-液相變原理，有效吸收電池產生的熱量，并隨后與其他冷卻方法相結合將其消散，從而對實現電池溫度均勻性產生顯著影響，但PCM也會遇到與體積變化和低導熱率相關的挑戰。綜合考量下，扁平熱管（FHP）具有輕質結構和高導熱率，在BTMS領域受到越來越多的關注。

成果掠影

近期，清華大學張揚軍教授團隊和重慶大學謝翌教授團隊提出了一種基于 FHP 的 BTMS 配置，考慮FHP工質的蒸氣流效應，建立了FHP與電池的耦合模型，可以實時計算電池電化學參數、電池生熱率、FHP傳熱等。研究團隊通過實驗驗證了耦合模型，隨后，對不同放電條件下的電池熱電性能進行仿真模擬，分析電池電化學參數與放電倍率之間的關系。結果表明，3C倍率放電下，電池最高溫度可限制在50℃以下，最大溫差可保持在2.26℃以下。最后，該團隊研究了不同FHP結構參數（包括均熱板厚度、FHP總厚度、FHP總長度）對電池熱電特性的影響機制。結果表明，FHP蒸汽腔厚度或FHP總厚度的減小不僅會增加蒸汽熱阻，同時也加劇了FHP傳熱能力的不均勻分布，使電池的熱性能惡化。FHP總長度的變化會導致FHP總傳熱熱阻的變化，影響電池的整體性能。相關研究成果以“A coupled model and thermo-electrical performance analysis for flat heat pipe-based battery thermal management system”為題發表于《Applied Thermal Engineering》。

圖文導讀

基于扁平熱管的電池熱管理系統耦合模型與熱電性能分析的圖3