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基于电池组最高温度和环境温度的分级管理液冷策略研究
2023-11-18 次浏览
引言
由于能源危机和环境污染问题的日益严峻，锂离子电池已在电动汽车上得到了广泛应用。然而，锂离子电池的性能受其工作温度影响较大，因此需要采用合理有效的热管理系统。单一的热管理方式总存在明显的缺点，许多研究已开始关注复合热管理系统。相变材料可以保证电池组温度的一致性，液冷能及时带走系统中的热量，合理的冷却策略能够降低系统能耗，两种方式的协同可以实现电池组在不同工况下的安全工作。
研究内容
中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室王青松课题组设计了一种复合相变材料和液冷协同作用的新型热管理系统（图1）。由石蜡、膨胀石墨和铜粉组成的复合材料提高了其导热性和可塑性，铜套的封闭结构解决了相变材料的泄漏问题。通过实验分析对比了不同热管理系统的温控性能，同时建立了复合热管理系统的数值仿真模型，实验与仿真结果吻合较好。基于数值模型，提出了基于电池组最高温度和环境温度的分级管理液冷策略，降低了液冷系统的能耗，实现了热管理系统在不同环境温度下的优良性能。
图1 复合热管理系统结构示意图
研究结果与讨论
（1）通过实验对比研究了空白对照组、单一液冷组和协同系统组的温度性能，结果如图2所示，控制恒温箱温度在35 ℃，电池组采用先1 C充电接着搁置5分钟最后2 C放电进行工作循环。空白对照组的最高温度和最大温差达到57.6 ℃和4.1 ℃，单一液冷组的最大温差为3.6 ℃，而协同系统组的最高温度仅为44.8 ℃，最大温差可以控制在2 ℃以内，表现出优良的控温性能。
图2 不同系统的温控性能比较
（2）基于验证后的数值仿真模型，研究了3 C放电下环境温度为35 ℃时冷却液流量对热管理系统性能的影响。如图3所示，在低流量下，电池组的最高温度将会达到危险阈值且相变材料的潜热会完全丧失，但是，过高的流量对于降低电池组的最高温度的效果不明显且会造成额外的能量损耗。因此，本研究中推荐冷却液流量不超过250 mL/min。
图3 不同冷却液流速的影响
（3）根据电池组的最高温度和环境温度，提出冷却液流量和流入温度的分级管理策略。当电池组最高温度达到40 ℃时，此时需要开启液冷；当电池组最高温度达到44 ℃时，表明冷却液的效率较低，需要提高冷却液流量到150 mL/min；一旦温度超过48 ℃，即将达到温度阈值，此时要增大冷却液流量到250 mL/min。环境温度在20 ℃和35 ℃间时，冷却液流入温度与环境温度保持一致；在环境温度低于20 ℃时，为了快速提高电池组温度，需要预先加热冷却液至20 ℃；在极端高温，即环境温度超过35 ℃时，冷却液温度要提前冷却到35 ℃，以提高其冷却能力，恢复相变材料的相变潜热。图4和图5表明在不同环境温度下，该分级管理策略可以控制电池组的温度和温差在合理范围内，并且可以降低液冷系统的能耗（以冷却液流量持续250 mL/min输出为参考值）。
图4 不同环境温度下分级管理策略下的电池温度性能
图5 液冷系统能耗相对降低率
成果简介
上述研究成果发表于Applied Thermal Engineering期刊，王俊杰为论文的第一作者，毛斌斌和王青松为共同通讯作者。