王青松团队：成组结构对锂离子电池相变热管理性能的影响

  储能科学与技术   2020-04-25 次浏览

研究背景

基于相变材料的锂离子电池热管理系统相对于基于风冷、液冷、热管的电池热管理系统，具有无外加能耗、结构简单、温度均匀性好等优势。电池排列方式及间距对模组散热性能影响较大，而通过改进成组结构提升相变热管理系统性能的研究较少。

创新点及解决的问题

电池排列方式和间距对模组热性能影响很大。而由于相变热管理系统需要定制模具，目前针对成组结构对相变热管理系统热性能影响的研究较少。因此，本文建立电化学-热耦合模型，采用数值模拟方法，对平行、错列、交叉三种电池排列方式及电池间距对热管理性能的影响进行研究，研究结果可为圆柱形锂离子电池相变热管理系统设计提供指导

重点内容导读。

（1）三种不同排列模型建立
使用一维模型计算电化学过程，并在三维热模型中将电池简化为圆柱体。图1以平行排列为例，展示了模型三维结构与网格。图2 展示了作为本文研究对象的三种不同电池排列方式的俯视示意图，分别为平行排列、错列排列和交叉排列。

图1 三维热模型与模型网格示意图

图2 三种电池排列方式俯视示意图

（2）不同排列方式的影响
图3 中展示了电池间距为3 mm 的平行排列、错列排列、交叉排列模组在3 C放电结束时的电池温度、模组半高截面温度和相变材料相变比例分布图。从图中可以看出，不同排列方式下，系统温度分布不同，但最高温度均位于系统正中四个电池内部。电池温度与周边电池数量呈正相关，错列排列下系统中心热累积最大，交叉排列下次之，平行排列下最小。当矩形模组中的电池数量一定时，非平行排列使得更多相变材料因未达到相变温度，从而无法充分利用，而平行排列下相变材料的最低利用率和总利用率更高。错列排列下最大相变比例最大，交叉排列下次之，平行排列下最小，与系统中心热累积规律一致。

图3 电池间距3 mm时不同排列方式下电池温度、系统半高截面温度、相变比例分布图

(3)电池间距的影响
不同电池间距下不同排列方式的电池最高温、电池间最大温差和平均相变比例随时间的变化如图4所示。随着放电过程的进行，电池最高温总体上升，并在中后期出现减速上升现象，且电池间距越小，电池最高温越大，温升曲线拐点越早出现。错列排列下，当电池间距3 mm时，电池最高温在放电末期加速上升，主要是由系统中部潜热不足导致。最大温差曲线随着放电时间呈上升-下降-上升趋势，其中，上升-下降过程中，电池间距越大，由于热阻越大，电池间最大温差越大，开始下降时间越晚，下降时温差越大，而由于潜热总量越大，温差下降幅度也越大；再次上升过程中，主要受起始时间影响，电池间距越大，电池间最大温差越小，且放电结束时电池间最大温差越小。当电池间距增大到某一个值，整个放电过程中的电池间最大温差不再出现在放电末期。随着放电过程的进行，平均相变比例曲线从相变时间点开始突然上升，且电池间距越大，相变起始时间越晚，放电结束时平均相变比例越小。

图4 不同电池间距下不同排列模组电池最高温度、电池间最大温差、平均相变比例随时间的变化

结  论

对于矩形模组，平行排列方式对相变材料的利用率以及总体散热效果优于非平行排列。电池最大温度曲线总体上升，相变发生后出现减速上升过程，电池间距越小，最大温度越大，曲线拐点越早出现。平均相变比例曲线从相变起始时间点开始突然上升，电池间距越大，起始时间越晚，平均相变比例越小。对于本文研究的圆柱电池矩形相变热管理系统，电池间距最优值位于4～5 mm之间。

引用本文

张丹枫，孙金华，王青松. 成组结构对锂离子电池相变热管理性能的影响[J]. 储能科学与技术，2020,9（5）：1526-1539.
ZHANG Danfeng, SUN Jinhua, WANG Qingsong. Effect module structure on performance of phase change material based Li-ion battery thermal management system[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020,9（5）：1526-1539.