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动力电池热管理技术:相变冷却散热系统研究进展

时间:2023-08-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:实验结果显示,使用PCM能够有效地将加热器的温度控制在一个合理的范围内。最后得到结论:当石蜡/石墨混合比例接近4∶1时,采用该相变材料冷却的电池组散热效果达到最佳。2013年,张维研究了不同充液率对微小型环路热管的起动特性和传热特性的影响,同时将该环路热管与相变材料耦合应用于电池热管理系统。2015年,Q.Wang等以30个电池单体组成的电池组为研究对象,利用热管对电动汽车电池进行了低温加热和常规冷却实验。

动力电池热管理技术:相变冷却散热系统研究进展

Agyenim等针对PCM热管理研究了几种不同形状的容器,如图1.23所示,包括球形壳体、矩形壳体和圆管形壳体,通过实验和模拟对比,验证模拟方法的可行性。

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图1.23 Agyenim所研究的PCM热管理不同形状容器

Duan等对PCM应用到电池热管理进行了实验研究,以圆柱形加热器作为热源,模拟电池在不同加热功率和环境温度下的发热情况。实验结果显示,使用PCM能够有效地将加热器的温度控制在一个合理的范围内。

张国庆等使用复合PCM设计电池单体和电池组的散热系统(图1.24),通过实验研究发现,在1C的放电倍率下,与空气自然冷却和强制对流两种方式相比较,采用PCM进行冷却能够使电池的温度分别下降14~18K和9~14K。最后得到结论:当石蜡/石墨混合比例接近4∶1时,采用该相变材料冷却的电池组散热效果达到最佳。

Kadasamy等将PCM应用到电子器件的实验和仿真研究结果表明,电子器件的功率输入对整个散热系统至关重要,功率增加会加快PCM的熔化速率,如图1.25(见彩插)所示。

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图1.24 具有相变冷却功能的电池单体以及 电池模块排列与连接方式

热管作为一种高效相变传热元件,被广泛应用于宇航、军工冶金建材化工太阳能微电子散热等领域,因其具有热阻相当低,热传导率极高(大于50kW)等特点而受到欢迎。

2013年,张维研究了不同充液率对微小型环路热管的起动特性和传热特性的影响(图1.26),同时将该环路热管与相变材料耦合应用于电池热管理系统。研究结果表明:处于同一热负荷时,以58.3%、63.6%、68.0%这三种充液率的环路热管的运行温度相对较低,较为平稳。复合散热系统的电池最高温度低于最佳工作温度上限50℃,且工作时间最长,其次是微小型环路热管,自然风冷系统最短。(www.xing528.com)

2014年,陈维以一个方形锂离子电池为研究对象,通过实验与模拟研究了锂离子电池在工作过程中的热特性,发现放电倍率越高,电池表面温差越大;还研究了热管的形状、布置高度和数量对电池散热的影响(图1.27,见彩插)。

2015年,Q.Wang等以30个电池单体组成的电池组为研究对象,利用热管对电动汽车电池进行了低温加热和常规冷却实验。实验结果指出,若电池单体产热量不超过10W/cell,则可有效控制电池表面温度在40℃以下,散热效果明显。此外还通过将该装置放于-15℃或-20℃下超过14h来检测零下烧结铜-水热管的可能性。实验数据表明,零下的温度条件对该热管几乎没有影响,并能立即工作。

2016年,Nandy Putra等通过内置圆柱形筒套加热器的铝合金来模拟锂离子电池生热,实验研究了平板环路热管在锂离子电池热管理中的性能,证明了平板环路热管在电池组散热中的可行性和巨大潜力。

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图1.25 48W发热功率下不同时间的液体状态的分布

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图1.26 微小平板型环路热管内部结构图

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图1.27 单独使用电池和使用热管的电池热成像对比图

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