電池冷卻器的案例
【STAR-CCM+電池冷卻】基于直流道液冷板的動(dòng)力電池冷卻性能仿真
根據(jù)電池產(chǎn)熱速率模型計(jì)算，1 C 放電（表示放電電流的數(shù)值是額定容量的1 倍），電流173 A，電池組是由90 個(gè)單體電池組成，電池組產(chǎn)熱功率約為2 kW。電池包簡化模型由電池組、液冷板、導(dǎo)熱墊、殼體組成。電池組是由9 個(gè)電池模組（從左至右電池模組1 到電池模組9）組成，每個(gè)電池模組單元共有10 個(gè)磷酸鐵鋰單體電池，圖1 為簡化的電池包幾何模型。
液冷板是間接接觸式液冷系統(tǒng)的重要部件，一般安裝于電池包底部，通過與電池單體的大面積接觸吸收電池單體產(chǎn)生的熱量，液冷板吸收的熱量再通過液冷板流道內(nèi)的冷卻液將熱量帶走。因此，合理的液冷板結(jié)構(gòu)對電池組的散熱性能有著至關(guān)重要的作用。優(yōu)化前的模型1為等長直流道液冷板，作者前期研究分析表明，該型冷板存在外側(cè)流道冷卻液流量明顯大于內(nèi)側(cè)冷卻液流量，各流道流量分配不均勻的弊端，導(dǎo)致液冷板溫度分布不均勻，如圖5a 所示，進(jìn)而使得電池組散熱不均勻。優(yōu)化后的模型2 為V 型非等長直流道，最外側(cè)流道最長，最內(nèi)側(cè)流道最短，綜合考慮了冷卻液流動(dòng)改善效果和液冷板加工工藝的可行性, 選擇相鄰流道相差10 mm 的模型，圖2 為液冷板結(jié)構(gòu)示意圖。
2.2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分
在計(jì)算流體仿真過程中，網(wǎng)格的精度對計(jì)算結(jié)果和收斂性影響較大，該模型流道區(qū)域結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在STAR-CCM+ 軟件中對導(dǎo)入的幾何模型進(jìn)行表面修復(fù)且檢查無表面問題后，采用多面體網(wǎng)格生成器對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，電池模組、殼體區(qū)域設(shè)置較大的網(wǎng)格尺寸，對流體區(qū)域設(shè)置較小的網(wǎng)格尺寸并設(shè)置一定厚度的邊界層網(wǎng)格，使計(jì)算更加準(zhǔn)確，計(jì)算域網(wǎng)格劃分如圖3 所示。
展開 螺旋管流動(dòng)沸騰冷卻與空氣冷卻相結(jié)合的鋰離子電池熱管理
同時(shí)，鋰電池由于其諸多優(yōu)點(diǎn)和較高的生產(chǎn)率而備受關(guān)注。鋰電池的主要用途包括電子工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、航空航天和電動(dòng)汽車等。近十年來，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車快速發(fā)展，鋰電池在這些系統(tǒng)中的使用為汽車行業(yè)增添了突出的特點(diǎn)，提供合適的條件溫度對鋰電池的性能和壽命起著十分重要作用，25°C到40°C是電池的最佳范圍，低于或高于此溫度范圍的工作溫度會(huì)導(dǎo)致其性能中斷并縮短其使用壽命。
02
成果掠影
近期，伊拉姆大學(xué)機(jī)械工程系 Sajjad Ahangar Zonouzi老師團(tuán)隊(duì)采用組合冷卻方法進(jìn)行鋰離子電池的熱管理。這種冷卻方法是通過纏繞在電池上的半螺旋管進(jìn)行流動(dòng)沸騰冷卻和通過電池中的氣流進(jìn)行空氣冷卻的冷卻方法相結(jié)合的。使用控制體積技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，用于模擬流動(dòng)沸騰區(qū)域的模型是歐拉-歐拉多相模型。研究結(jié)果表明，所提出的組合冷卻方法有助于更好的電池組熱管理。由于恒定溫度下的汽化潛熱，螺旋管內(nèi)發(fā)生流動(dòng)沸騰有助于去除大量熱量，并且電池與沸騰流體接觸的部分的電池溫度幾乎保持恒定。沸騰流體質(zhì)量通量的增加和入口空氣速度降低了電池組內(nèi)電池的最高溫度。此外，通過減小沸騰流體的入口過冷度，降低了電池的溫度，并且電池組中不同排的電池之間的溫差受空氣入口速度的影響較小。研究成果以“Combination of flow boiling cooling by taking advantage of helical pipes and air cooling for thermal management of lithium-ion batteries”為題發(fā)表于《Journal of Energy Storage》。
展開 采用電池冷卻方法的鋰離子電池熱管理策略：現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
由于全球變暖問題不斷加劇，對清潔能源替代品的需求持續(xù)增長，電動(dòng)汽車電池憑借高效率、安全性和可靠性等特點(diǎn)，使電動(dòng)汽車(EV)行業(yè)迎來了大幅增長。然而，這些電池也存在一些限制因素，盡管生產(chǎn)小型、安全、高性能、和可靠的電池有困難，但這也迫使電動(dòng)汽車制造商在電池領(lǐng)域進(jìn)行更多的投資。近年來，電動(dòng)汽車越來越受歡迎，為人們提供更多的舒適性和節(jié)省成本。
02
成果掠影
近期，韓國嶺南大學(xué)Gyu Sang Choi和Sung Chul Kim老師團(tuán)隊(duì)分析了各種電池熱管理系統(tǒng)(TMS-Bs)冷卻方法及其在可行性、成本和壽命方面的優(yōu)缺點(diǎn)，討論了熱失控(TR)機(jī)制，模型和策略，以減輕TRS問題。有效的TMS-B可以減輕電池的TR，并提高其性能和壽命。總體而言，TMS-B對于維持電動(dòng)汽車中使用的LBS的最佳溫度范圍至關(guān)重要。一個(gè)有效的TMS-B可以減輕TR，并提高性能和壽命，然而，需要進(jìn)一步研究TMS-B的結(jié)構(gòu)、工作介質(zhì)、流道尺寸和液體填充能力，同時(shí)更好地理解電池、模塊和包裝如何應(yīng)對快速充電情況是十分必要的。
展開 CPU冷卻器：液體冷卻與空氣冷卻
然后，連接的風(fēng)扇將熱的空氣吹離散熱器。
被動(dòng)冷卻是怎樣的？
與標(biāo)準(zhǔn)空氣冷卻器相比，被動(dòng)式冷卻器不太常見，但在理論上是相似的。它們依靠特別設(shè)計(jì)的散熱器來吸收和散發(fā)熱量，而不需要使用風(fēng)扇。對于有低噪音要求的設(shè)備，這類散熱器非常有用，但大多數(shù)游戲計(jì)算機(jī)都使用空氣冷卻器或液體冷卻器。
空氣冷卻器的效率會(huì)因諸多因素而有所不同，比如構(gòu)建時(shí)使用的材料（例如，銅的傳導(dǎo)性優(yōu)于鋁，但鋁更便宜），以及連接到 CPU 散熱器的風(fēng)扇的大小和數(shù)量。這就是 CPU 空氣冷卻器的尺寸和設(shè)計(jì)會(huì)有不同的原因。
大空氣冷卻器通常散熱更好，但并不總是有足夠的空間來容納較大的散熱解決方案，特別是在小型電腦中。接下來將進(jìn)一步探討空氣冷卻的優(yōu)點(diǎn)，以及何為液體冷卻。
1.2 液體冷卻
與空氣冷卻器一樣，有多種選項(xiàng)可供選擇，但大多數(shù)都分為兩類：一體式 (AIO) 冷卻器或自定義冷卻循環(huán)。在這里，我們將主要關(guān)注一體式 (AIO) 冷卻器，盡管這兩者中液體如何冷卻 CPU 的基本原理是相同的。
與空氣冷卻類似，冷卻過程從連接到 CPU IHS 的基板開始。IHS 上附有一層導(dǎo)熱膏，方便兩個(gè)表面之間更好地傳熱。基板的金屬表面是水冷頭的一部分，水冷頭設(shè)計(jì)為裝填冷卻液。
當(dāng)冷卻液通過水冷頭時(shí)，會(huì)從基板吸收熱量。然后，冷卻液繼續(xù)在系統(tǒng)中行進(jìn)，向上通過一兩根管子到達(dá)散熱器。散熱器將液體暴露在空氣中，幫助其冷卻，然后，連接到散熱器的風(fēng)扇將熱量吹離冷卻器。接下來，冷卻液重新進(jìn)入水冷頭，循環(huán)再次開始。
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2、液冷模式電池熱管理設(shè)計(jì)
2.1、系統(tǒng)組成
基于液體的熱管理系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對電池冷卻和加熱，系統(tǒng)主要包括液冷板、管路、低溫散熱器、電池冷卻器、冷卻液循環(huán)泵、PTC水加熱器、水箱以及冷源等。其中低溫散熱器、電池冷卻器、循環(huán)水泵、PTC水加熱器和整車熱管理系統(tǒng)集成或者集成于獨(dú)立冷源，公眾號-新能源電池熱管理。
2.2、系統(tǒng)原理
基于液體的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池熱管理具體工作原理如圖1所示。
電池包不需要冷卻時(shí)(如電池包內(nèi)溫度25℃)，則不啟動(dòng)制冷系統(tǒng)和電池包液冷系統(tǒng)。
低溫散熱工況：當(dāng)外界環(huán)境溫度不高(如10℃)，電池包內(nèi)部溫度較高(如35℃)時(shí)，暫不用開啟空調(diào)壓縮機(jī)，通過循環(huán)泵使冷卻液在液冷系統(tǒng)循環(huán)，帶走電池熱量，最終熱量通過低溫散熱器散發(fā)，從而達(dá)到對電池包的降溫的目的。
高溫散熱工況：當(dāng)外界環(huán)境溫度較高(如40℃)，電池包內(nèi)部溫度較高(如45℃)時(shí)，此時(shí)溫差較小，如果只通過低溫散熱循環(huán)來冷卻電池包比較困難，所以關(guān)閉低溫散熱器的冷卻回路。開啟制冷系統(tǒng)，此時(shí)電池冷卻器可以看作蒸發(fā)器，吸收冷卻液(乙二醇水溶液)熱量，冷卻液降溫后進(jìn)入冷板對電池包進(jìn)行冷卻。
加熱工況：當(dāng)外界環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，需要開啟加熱裝置，循環(huán)水泵，關(guān)閉低溫散熱回路和制冷系統(tǒng)，通過加熱裝置加熱乙二醇水溶液，輸送到冷板對電池包進(jìn)行加熱。
根據(jù)上述產(chǎn)熱模型計(jì)算出電池的發(fā)熱功率，并結(jié)合系統(tǒng)組成和工作原理得到所需換熱面積和冷卻液流量，然后進(jìn)行液體熱管理冷板和管路設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。
展開 美國新勢力Lucid 的電池冷卻方案
在油管上，美國新勢力Lucid Motors 發(fā)布了視頻展示了電池設(shè)計(jì)技術(shù)（官方Tech Talks講座共10集），由Lucid的CEO兼CTO Peter Rawlinson來介紹電池系統(tǒng)。
這套電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，覆蓋了Lucid Air Pure (88kWh) 、Lucid Air Pure (93kWh)、Lucid Air Grand Touring(112kWh)和Lucid Air Dream Edition (118kWh)。
▲圖1.電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解析
這套系統(tǒng)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要的差異在于：
●電池冷卻技術(shù)：電池是從頂部/末端冷卻。
●電氣連接封裝在注塑成型的塑料中。
●電池模塊內(nèi)部，有10組電芯串聯(lián)（上限電壓42V），每組30個(gè)電芯并聯(lián)，每組由絕緣材料進(jìn)行分割；有22個(gè)電池模塊，最高電壓偉924V。
▲表1.這個(gè)系列的內(nèi)容
Part 1
視頻里面的細(xì)節(jié)
我們首先看一下這個(gè)圓柱模組的設(shè)計(jì)。
▲圖2.Lucid模組的上下底面
從電氣來看，Lucid讓Busbar是與塑料支架注塑在一起，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到幾個(gè)作用：
●提高了生產(chǎn)的效率；
●把母線排和電芯的連接處理做的更簡單了；
●Lucid的電芯電氣連接也是有創(chuàng)新的，由于頂部采用了散熱設(shè)計(jì)，電氣需要在電芯一端完成正負(fù)極連接，如下圖所示采用鋁片連接的方式，然后根據(jù)鋁片熔斷安全防護(hù)。
在Busbar上做注塑，其實(shí)也是不得已而為之，因?yàn)檫@部分需要作為外框整體實(shí)現(xiàn)框架絕緣的設(shè)計(jì)。
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2、液冷模式電池熱管理設(shè)計(jì)
2.1、系統(tǒng)組成
基于液體的熱管理系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對電池冷卻和加熱，系統(tǒng)主要包括液冷板、管路、低溫散熱器、電池冷卻器、冷卻液循環(huán)泵、PTC水加熱器、水箱以及冷源等。其中低溫散熱器、電池冷卻器、循環(huán)水泵、PTC水加熱器和整車熱管理系統(tǒng)集成或者集成于獨(dú)立冷源，公眾號-新能源電池熱管理。
2.2、系統(tǒng)原理
基于液體的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池熱管理具體工作原理如圖1所示。
電池包不需要冷卻時(shí)(如電池包內(nèi)溫度25℃)，則不啟動(dòng)制冷系統(tǒng)和電池包液冷系統(tǒng)。
低溫散熱工況：當(dāng)外界環(huán)境溫度不高(如10℃)，電池包內(nèi)部溫度較高(如35℃)時(shí)，暫不用開啟空調(diào)壓縮機(jī)，通過循環(huán)泵使冷卻液在液冷系統(tǒng)循環(huán)，帶走電池熱量，最終熱量通過低溫散熱器散發(fā)，從而達(dá)到對電池包的降溫的目的。
高溫散熱工況：當(dāng)外界環(huán)境溫度較高(如40℃)，電池包內(nèi)部溫度較高(如45℃)時(shí)，此時(shí)溫差較小，如果只通過低溫散熱循環(huán)來冷卻電池包比較困難，所以關(guān)閉低溫散熱器的冷卻回路。開啟制冷系統(tǒng)，此時(shí)電池冷卻器可以看作蒸發(fā)器，吸收冷卻液(乙二醇水溶液)熱量，冷卻液降溫后進(jìn)入冷板對電池包進(jìn)行冷卻。
加熱工況：當(dāng)外界環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，需要開啟加熱裝置，循環(huán)水泵，關(guān)閉低溫散熱回路和制冷系統(tǒng)，通過加熱裝置加熱乙二醇水溶液，輸送到冷板對電池包進(jìn)行加熱。
根據(jù)上述產(chǎn)熱模型計(jì)算出電池的發(fā)熱功率，并結(jié)合系統(tǒng)組成和工作原理得到所需換熱面積和冷卻液流量，然后進(jìn)行液體熱管理冷板和管路設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。
展開 馬勒推出受珊瑚啟發(fā)的電池冷卻板
來源 | electrive.com
德國汽車供應(yīng)商馬勒發(fā)布了一款新型電池冷卻板，并認(rèn)為這是一次“技術(shù)飛躍”。該公司的工程師從大自然中汲取靈感，開發(fā)了一種冷卻通道仿生結(jié)構(gòu)，使冷卻劑能夠以不同的方式流動(dòng)。
馬勒表示，這顯著提高了冷卻板的熱力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)機(jī)械性能，具體來說，其冷卻能力提高了 10%，且壓力損失降低了 20%。這有助于將電池保持在最佳工作溫度范圍內(nèi)；在鋰電池中，即使在快速充電等極端條件下，電池溫度也不應(yīng)超過 40 攝氏度。同時(shí)，所有電池的溫度分布必須盡可能均勻，這就是流通板的用武之地。
這種新設(shè)計(jì)可根據(jù)需求控制冷卻劑流量，特別是對于電池單元和冷卻劑之間的微小溫差，較慢的流速可以改善傳熱。馬勒表示，其仿生電池冷卻板的工作效率非常高，溫度范圍可以降低 50%，峰值溫度也可以顯著降低。這使得電池效率更高，并且可以更快、更安全地充電，從而延長使用壽命。
馬勒還指出了仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢。受珊瑚啟發(fā)，工程師們在新的制造工藝中使用更薄的材料，并消耗更少的能量。馬勒全球熱管理開發(fā)主管Uli Christian Blessing 博士表示，該種新型電池冷卻板對提升冷卻技術(shù)具有出色的效果，并且在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面具有巨大優(yōu)勢，馬勒將于 2023 年 9 月在慕尼黑 IAA Mobility 上首次展示其新型仿生電池冷卻板。
展開 探究鋰離子電池熱管理的主被動(dòng)冷卻方法
在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，以電池為動(dòng)力的零排放汽車正在迅速取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車。由于鋰離子電池自放電率低、能量密度高、體積小、無記憶和使用壽命長，因此鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車。研究也證明，鋰離子電池在20至40 ℃的溫度范圍內(nèi)有效工作，電池性能最佳。
然而，在快速充電或車輛爬坡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。此外，在高工作溫度下，電池的溫度迅速上升，可能會(huì)降低電池的生命周期。熱失控在鋰離子電池中已經(jīng)變得越來越普遍，熱安全性已經(jīng)成為阻止其使用的一個(gè)關(guān)鍵問題。如果這些熱量不立即消散，不僅會(huì)降低電池性能，還會(huì)引發(fā)熱失控，導(dǎo)致電池燃燒和爆炸。因此建立合適的熱管理系統(tǒng)至關(guān)重要。
電池的安全性可以通過在電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)中監(jiān)測來評估。常見的BTMS現(xiàn)在分為主動(dòng)冷卻系統(tǒng)和被動(dòng)冷卻系統(tǒng)。在主動(dòng)冷卻過程中，電池模組的熱量通過空氣或液體排出。而通過相變材料(PCM)冷卻是被動(dòng)冷卻。PCM優(yōu)于空氣和液體熱管理系統(tǒng)，因?yàn)樗恍枰L(fēng)扇、泵和連接等電氣機(jī)械設(shè)備。
為了提高鋰離子電池的安全性，了解它們在高溫下的行為至關(guān)重要。因此本文在不同的條件下，研究了不同條件下鋰離子電池的主動(dòng)和被動(dòng)冷卻的熱管理效果。
02
成果掠影
近期，美國能源高級研究中心的Naseem Iqbal教授團(tuán)隊(duì)為了提高鋰離子電池的安全性，了解它們在高溫下的行為，探究了不同的冷卻方式以及模組的排列方式對新能源電池熱管理的影響。該研究對電池組進(jìn)行了一系列充放電實(shí)驗(yàn)，以評估熱管理對電池組性能的影響。通過改變周圍條件并使用相變材料來改善熱管理，從而分析電池之間的溫度分布。
展開 汽車電池熱管理冷卻技術(shù)分析（含視頻教程詳細(xì)講解）
因?yàn)楦邷貢?huì)使電池的循環(huán)壽命明顯降低，同時(shí)在高倍率充電時(shí)也不安全。目前市面上的新能源車電池，主要有4種電池冷卻方式，分別是自然冷卻、風(fēng)冷和液冷、直冷這四種。
汽車電池熱管理冷卻方式介紹
自然冷卻
自然冷卻是最基礎(chǔ)和最簡單的冷卻方式，?是依賴環(huán)境溫度進(jìn)行散熱的被動(dòng)方式，?利用空氣的自然對流來散熱，不需要額外的能源輸入。
?這種方式優(yōu)點(diǎn)是成本低、?無能耗且不需要額外空間，?缺點(diǎn)是散熱效率較低，?適用于早期的新能源車型。??
風(fēng)冷系統(tǒng)
風(fēng)冷是通過增加風(fēng)扇來主動(dòng)促進(jìn)空氣流動(dòng)，?提高散熱效果。
?風(fēng)冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是成本低、?能耗低，?且技術(shù)成熟，?易于控制和維護(hù)。?缺點(diǎn)是其冷卻效果仍然受到環(huán)境溫度的影響，?且在需要加熱電池的寒冷天氣中，?還需要額外的加熱系統(tǒng)。?
液冷系統(tǒng)
液冷通過冷卻液在電池組中的循環(huán)流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)高效散熱，?類似于電腦CPU的水冷散熱系統(tǒng)。
?液冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是冷卻效率遠(yuǎn)高于風(fēng)冷，?而且可以通過加熱冷卻液來同時(shí)實(shí)現(xiàn)電池的加熱。缺點(diǎn)是液冷系統(tǒng)相對較重，?會(huì)占用一定的電池空間，?且后期維護(hù)成本較高。???
直冷系統(tǒng)
直冷系統(tǒng)直接將制冷劑引入電池冷卻管道中，?實(shí)現(xiàn)高效的熱交換。
?直冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是冷卻效率極高，?同時(shí)在加熱電池方面也有出色表現(xiàn)。?其體積小、?成本低于液冷系統(tǒng)，?缺點(diǎn)是技術(shù)難度相對較高，?需要確保高壓下的密封性能。???
目前汽車電池熱管理主流冷卻方式是液冷。?液冷系統(tǒng)的高效、?靈活和可靠的熱管理能力使其成為目前最主流的動(dòng)力電池冷卻方式。?
汽車電池冷卻常見問題
哪種冷卻方式的成本高？
新能源汽車電池冷卻方式中，液冷系統(tǒng)由于涉及更多的組件和復(fù)雜的循環(huán)系統(tǒng)，所以其成本相對較高。?同時(shí)，?液冷系統(tǒng)可能需要更頻繁的維護(hù)和檢查，?因?yàn)橐后w泄漏可能會(huì)導(dǎo)致冷卻效率下降或損壞電池。?
展開 探究鋰離子電池熱管理的主被動(dòng)冷卻方法
在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，以電池為動(dòng)力的零排放汽車正在迅速取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車。由于鋰離子電池自放電率低、能量密度高、體積小、無記憶和使用壽命長，因此鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車。研究也證明，鋰離子電池在20至40 ℃的溫度范圍內(nèi)有效工作，電池性能最佳。
然而，在快速充電或車輛爬坡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。此外，在高工作溫度下，電池的溫度迅速上升，可能會(huì)降低電池的生命周期。熱失控在鋰離子電池中已經(jīng)變得越來越普遍，熱安全性已經(jīng)成為阻止其使用的一個(gè)關(guān)鍵問題。如果這些熱量不立即消散，不僅會(huì)降低電池性能，還會(huì)引發(fā)熱失控，導(dǎo)致電池燃燒和爆炸。因此建立合適的熱管理系統(tǒng)至關(guān)重要。
電池的安全性可以通過在電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)中監(jiān)測來評估。常見的BTMS現(xiàn)在分為主動(dòng)冷卻系統(tǒng)和被動(dòng)冷卻系統(tǒng)。在主動(dòng)冷卻過程中，電池模組的熱量通過空氣或液體排出。而通過相變材料(PCM)冷卻是被動(dòng)冷卻。PCM優(yōu)于空氣和液體熱管理系統(tǒng)，因?yàn)樗恍枰L(fēng)扇、泵和連接等電氣機(jī)械設(shè)備。
為了提高鋰離子電池的安全性，了解它們在高溫下的行為至關(guān)重要。因此本文在不同的條件下，研究了不同條件下鋰離子電池的主動(dòng)和被動(dòng)冷卻的熱管理效果。
02
成果掠影
近期，美國能源高級研究中心的Naseem Iqbal教授團(tuán)隊(duì)為了提高鋰離子電池的安全性，了解它們在高溫下的行為，探究了不同的冷卻方式以及模組的排列方式對新能源電池熱管理的影響。該研究對電池組進(jìn)行了一系列充放電實(shí)驗(yàn)，以評估熱管理對電池組性能的影響。通過改變周圍條件并使用相變材料來改善熱管理，從而分析電池之間的溫度分布。
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輕型純電動(dòng)商用車動(dòng)力電池冷卻性能分析
1概述
電池作為純電動(dòng)車的動(dòng)力元件，直接影響到車輛的續(xù)駛里程、壽命和整車性能。對于純電動(dòng)車來說，動(dòng)力電池的充放電可能隨時(shí)進(jìn)行。充放電是典型的電化學(xué)過程，其伴生的反應(yīng)熱很容易引起電池組內(nèi)100℃以上的溫差，如不及時(shí)散熱，對充放電過程、電池的可靠性和壽命都有極大的負(fù)面影響，電池熱效應(yīng)問題也會(huì)影響到整車的性能和壽命。目前對動(dòng)力電池冷卻主要是:保證充放電時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)散出;各模塊間溫度分布均勻。因此，本文以國內(nèi)某輕型商用純電動(dòng)車用磷酸鐵鋰電池包為研究對象，對現(xiàn)有電池冷卻方案進(jìn)行了性能試驗(yàn)對比和數(shù)據(jù)分析，確定了電池包冷卻的最終方案。
2動(dòng)力電池冷卻方案
動(dòng)力電池的冷卻主要有風(fēng)冷、制冷劑冷卻和水冷三種方式;與其他兩種冷卻技術(shù)相比，風(fēng)冷方式技術(shù)更成熟，其研發(fā)、制造成本相對較低，周期短，目前被廣泛采用，國內(nèi)目前市場上的純電動(dòng)汽車也主要以風(fēng)冷為主。風(fēng)冷方式又分自然冷卻和強(qiáng)制冷卻。因此，某輕型商用純電動(dòng)車型動(dòng)力電池也選擇風(fēng)冷方式，設(shè)計(jì)了強(qiáng)制冷卻和自然冷卻兩種風(fēng)冷方式。強(qiáng)制冷卻是由鼓風(fēng)機(jī)將乘員艙內(nèi)被空調(diào)冷卻的25～30℃空氣抽進(jìn)電池箱體，通過電池箱體內(nèi)部強(qiáng)制對流帶走電池散發(fā)的熱量，最后排入環(huán)境中。自然冷卻無單獨(dú)冷卻系統(tǒng)，僅依靠自然對流散熱，該方式電池溫度高，但成本低。
為滿足車輛總重量大、續(xù)駛里程長的要求，該車型選用磷酸鐵鋰電池電容量達(dá)75kWh。因在現(xiàn)有成熟車型上進(jìn)行動(dòng)力總成改型設(shè)計(jì)，受車體空間影響，電池必須安放在地板下，且電池模塊必須分別放置在前后兩電池箱內(nèi)才能滿足安裝要求。電池包冷卻方案結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。
展開 考慮系統(tǒng)體積和冷卻性能的風(fēng)冷電池熱管理系統(tǒng)策略
鋰離子電池作為電動(dòng)汽車（EV）的核心部件，廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車（HEV）、插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）和純電動(dòng)汽車（BEV）。動(dòng)力電池的性能很大程度上決定了整車的性能。電池的能量密度越高，電動(dòng)汽車的續(xù)航能力就越好。高能量密度電池在充電和放電過程中會(huì)產(chǎn)生高熱量，如果熱量長時(shí)間聚集在一起，不僅會(huì)損害電池的使用壽命，還會(huì)增加熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸨ǎ＜叭松戆踩ＴO(shè)計(jì)良好的電池熱管理系統(tǒng)（BTMS）可以有效散熱，提高車輛性能，保證車輛和駕駛員的安全。因此，電池熱管理系統(tǒng)具有重要的研究價(jià)值和理論意義。當(dāng)前的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，以降低系統(tǒng)的最高溫度為主要目的。然而，冷卻系統(tǒng)的體積對于電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)也很重要，卻很少受到關(guān)注。
02
成果掠影
近期，新疆大學(xué)盧浩老師團(tuán)隊(duì)提出了一種新的電池熱管理系統(tǒng)優(yōu)化策略，該策略綜合考慮系統(tǒng)體積和冷卻性能，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定合適的熱管理策略。所提出的方法分為四個(gè)步驟：優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建立計(jì)算代碼、多目標(biāo)優(yōu)化和綜合模擬決策。基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值模擬用于驗(yàn)證優(yōu)化后系統(tǒng)的冷卻性能。與當(dāng)前三種電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，體積最多減少了13.01%。穩(wěn)定發(fā)熱過程中，最大溫差分別降低了65.79%、40.65%和63.69%，溫度均勻度分別提高了65.87%、34.93%和60.80%。電池組非穩(wěn)態(tài)發(fā)熱情況下，5C放電倍率的時(shí)候，最大溫差下降2.28 K，最大溫差和溫度均勻性分別下降57.11%和49.15%。
展開 液冷電池熱管理系統(tǒng)在不同冷卻情況下的性能分析
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車（EV）和儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）等領(lǐng)域，其性能直接影響了系統(tǒng)運(yùn)行的安全與效率。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、成本低、對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但它們的性能對溫度非常敏感。熱安全性是限制電池發(fā)展的重要因素。通常情況下，電池模塊的最高溫度應(yīng)保持在288~313 K之間，電池之間的最大溫差應(yīng)控制在5 K以內(nèi)，以保證電池穩(wěn)定運(yùn)行。
電池熱管理系統(tǒng)的特點(diǎn)主要包括體積小、成本低、安裝簡單、可靠性好等，也分為有源或無源、串聯(lián)或并聯(lián)等。無論是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還是混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，電池都是主要組成部分。充電時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)充當(dāng)負(fù)載，放電時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)充當(dāng)發(fā)電機(jī)組，并且只能在一定的溫度范圍內(nèi)放電和儲(chǔ)存電力。電池熱管理系統(tǒng)可以保證電池工作在最佳溫度范圍并保證電芯和模組的溫度均勻性，高溫會(huì)加劇電池內(nèi)部的副反應(yīng)，影響電池壽命甚至引發(fā)熱失控。然而低溫會(huì)導(dǎo)致內(nèi)阻增大、容量下降，進(jìn)而導(dǎo)致電池性能下降。因此，為了實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳性能，需要合適的電池熱管理系統(tǒng)。
02
成果掠影
近期，吉林大學(xué)江彥老師團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高效的電池熱管理系統(tǒng)，可以控制電池模塊的溫度，從而提高整體性能。該研究針對由12節(jié)方形LiFePO4電池組成的電池模塊設(shè)計(jì)了不同類型的液冷熱管理系統(tǒng)。以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬為主要研究工具，提出了從傳熱和流動(dòng)阻力兩個(gè)方面評價(jià)冷板性能的參數(shù)，以及冷卻面、入口數(shù)量和冷卻液方向?qū)ζ?em>冷卻效果進(jìn)行了研究。
展開 一種用于鋰離子電池組熱管理的液體冷卻系統(tǒng)
鋰離子電池因其能量密度高、自放電率低、維護(hù)要求低、循環(huán)壽命長、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，是目前電動(dòng)汽車使用最廣泛的電源。然而，鋰離子電池的性能受工作溫度的影響很大。鋰離子電池理想的工作溫度范圍為25 ~ 40℃，不同電池之間的最高溫差小于5℃。在低溫或高溫環(huán)境下工作都會(huì)導(dǎo)致電池性能下降，壽命縮短，甚至熱失控。因此，一個(gè)優(yōu)秀的電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)對于保證鋰離子電池安全高效的運(yùn)行狀態(tài)是非常必要的。
根據(jù)冷卻策略的不同，BTMS可分為被動(dòng)冷卻系統(tǒng)、主動(dòng)冷卻系統(tǒng)和被動(dòng)與主動(dòng)相結(jié)合的混合系統(tǒng)。在被動(dòng)冷卻系統(tǒng)中，沒有任何額外的功耗，但它們也不能控制冷卻系統(tǒng)來改變冷卻速率。在鋰離子電池表面實(shí)施特殊的材料或散熱結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)電池與外部環(huán)境之間的高傳熱能力。典型的例子包括自然空氣對流，相變材料(PCM)和熱管。
被動(dòng)空氣冷卻的冷卻能力很低，不適合冷卻高能量密度的鋰離子電池。PCM在融凍過程中能夠儲(chǔ)存和釋放大量的能量，近年來受到越來越多的關(guān)注。將PCM裝入BTMS的主要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)良好的電池溫度均勻性和靈活的幾何形狀。然而，PCM的低導(dǎo)熱性阻礙了電池的散熱速率，在高速率充放電條件下存在嚴(yán)重的隱患。因此開發(fā)出具有優(yōu)異的散熱性能的新能源電車的電池熱管理系統(tǒng)是非常重要的。
02
成果掠影
近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)馮宇教授團(tuán)隊(duì)針對液冷電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)取得新進(jìn)展。由于常見的線性流道結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了嚴(yán)重的溫度分布不均勻。該團(tuán)隊(duì)提出了一種具有多通道的新型錐形通道散熱器，以提高電池溫度均勻性，降低BTMS的功耗。團(tuán)隊(duì)分析比較了8種不同設(shè)計(jì)的電池最高溫度和溫差、溫度不均分布參數(shù)和功耗性能，同時(shí)，分析了延遲冷卻策略對液冷系統(tǒng)溫度均勻性的影響。
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