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单体电池排布对高低温环境下锂电池热管理性能的影响
2023-03-01 次浏览
相变冷却锂离子电池热管理技术为背景，研究了提升相变材料导热性能及优化单体电池排布对高低温环境下锂电池热管理性能的影响。首先，以单体电池为研究对象，分别探讨了采用碳纳米管/石蜡复合相变材料以及增加翅片结构对锂离子电池在高低温环境下热管理性能的影响规律；然后，以锂离子电池组为研究对象，分析了单体电池排布优化对电池组热管理性能的影响，并在保证控温性能的基础上进行相变冷却体积优化。主要得到了以下结论：
首先，实验制备了不同质量分数的碳纳米管/石蜡复合相变材料并对其基于单体电池的热管理性能进行研究。测试结果表明，添加 1 %碳纳米管含量的复合相变材料导热系数提升了约 27.3%，提高了相变材料的导热性能；35℃环境下复合相变冷却将 3C 大电流放电时的电池温度控制在 45℃以下，保证电池安全运行；-15℃环境下，包覆复合相变材料后电池放电量相较裸电池增大了 19.2%，且电池温度由 50℃下降到 20℃时所需时间延长了约 37.3%；同时，4 %含量下复合相变材料对放电电量的提升仅为 14.5%，说明增大导热系数也增强了材料中热量的散失过程，致使保温性能下降。
其次，以金属翅片作为高导热结构，设计了基于单体电池的相变材料与翅片联合控温热管理装置，分析了翅片延展长度、开口角度对电池散热的影响，考察了装置在高低温环境下工作时的控温能力。结果表明，35℃环境下，添加翅片后电池的放电温度降低了约 5%，同时相变过程的起始时间也延长了 40 %，持续时间增大了近 1.8 倍。说明翅片的加入不仅提升了相变冷却的传热以及散热速率，还大大提高了相变材料的利用率；-15℃环境下，电池放电温度始终低于未添加翅片情况，说明翅片的存在削弱了相变材料的保温能力，低温热管理性能较差。
最后，采用优化排布的方法来提升相变冷却系统的温控能力。通过数值模拟探讨了基于电池组的相变冷却系统在不同单体电池间距下温度场的变化情况，并对电池组排布与相变材料用量进行优化。研究发现，有序减小电池组中心到外缘的电池间距后能够有效提升相变冷却的热管理性能。在 35℃、25℃和-15℃环境下，优化排布后的组内温差分别降低了 12.5%、17.5%以及 30.0%。减少约 12%的相变材料用量后，优化组内单体电池排布仍达到相同的控温效果。说明优化单体电池间距不仅提升了电池组热管理性能，实现了降低系统成本的目标，还满足了电池在不同工作温度下中的温控要求，为后续相变冷却系统的设计提供了参考。