使用复合相变材料和石墨片的被动热管理系统的电池组的实验和模拟外文翻译资料

 2022-03-22 08:03

使用复合相变材料和石墨片的被动热管理系统的电池组的实验和模拟

林春静,徐国锋,刘金玲

摘要:开发了一种使用相变材料(PCM)作为散热源来控制电池温度的升高,运用于电池模块的被动热管理系统(TMS)。膨胀石墨基质和石墨片用于补偿PCM的低导热性并改善电池的温度均匀性。在电池热特性测试平台上,对具有和不具有PCM的电池模块施加恒定电流放电和混合充电放电负荷。实验结果表明PCM冷却在短时激烈使用期间显著降低电池温度上升。还发现,随着放电时间和电流速率的增加,整个模块的温度均匀性恶化。1C和2C率放电结束时的最大温差均小于5℃,表明被动式TMS电池热均匀性良好。保温性能实验表明,在寒冷天气下,被动式TMS能够有效地将电池长时间保持在最佳工作温度。使用ANSYS Fluent建立被动式TMS电池组的三维数值模型。 根据放电时间的温度曲线表明,模拟显示在1C放电速率下与实验很好地一致。

关键词:锂离子电池 被动式热管理系统 相变材料 实验 热建模/仿真

  1. 介绍。

锂离子电池具有比功率高,比能量密度高,循环寿命长,自放电率低,放电电压高等特点,已成为电动汽车(BEV)和混合动力汽车(HEV)的主要电源解决方案。为了满足实际行驶条件下电动汽车(EV)的操作要求,电池组需要不断充电和放电以满足电力需求,在此期间电池内部持续产生大量热量。如果产生的热量不能及时消散到环境,积聚在电池内部,电池会过热,导致操作性能,安全性和使用寿命都会受到很大影响。而且,对于由多个电池串联和并联组成的大型电池组而言,模块中的电池单元之间的温差可能导致整个电池组过早失效,甚至导致起火和爆炸的危险情况。因此,对设计用于EV负载电池组的高效热管理系统(TMS)存在巨大需求,以将电池维持在其最佳操作温度内,并将模块之间的温度差控制在低值内,例如小于5。

传统的热管理方法,例如强制风冷和直接/间接液体冷却,近年来已在商用电动汽车的动力电池组中得到了广泛的研究和采用。 然而,这些散热技术所采用的结构通常是复杂和庞大的,并且耗电的部件(例如,充电器和泵)减少了存储在电池中的有限能量。 这些不利的缺点激发了对新型热管理系统的期望。

近年来,高密度,高能效,低维护的相变材料(PCM)的无源热管理引起了人们的高度关注。该领域的研究人员进行的大量仿真和实验表明,使用PCM的被动式TMS可成为动力电池热管理的可行解决方案。Al-Hallaj等人在文献中首次提出并研究了使用PCM作纯动力电池的TMS。 他们使用商业有限元软件PDEase2Dtrade;进行的模拟工作表明,PCM系统具有大的可逆储热能力在热敏电池中是有效的。Khateeb等人设计了一个由PCM包围的18个18650型电池组成的电池模块,该电池模块包含用于电动踏板车的铝泡沫和/或铝翅片,并且对模块进行数值评估。 结果证明PCM能很好的用作电池热管理的潜在选择。 之后,他们进行了实验来验证他们的数值模型。 他们的实验表明,与没有热量管理的情况相比,使用铝泡沫和PCM可以将电池温度上升减少50%,并且电池模块内的温度均匀性得到改善。米尔斯等人提出并模拟了一种被动式TMS,它使用浸渍有PCM的膨胀石墨基质(EGM),用于包含六个商用18650 2.2Ah锂离子电池的笔记本电池组。 并且通过另一组实验对被应用于高能圆柱形锂离子电池的PCM /石墨复合材料的被动式TMS进行了评估。PCM /石墨复合材料TMS的数值和实验研究清楚地证明了被动式PCM热管理系统比传统TMS具有紧凑和轻便等优点。 PCM也用于具有电加热器的圆柱形电池,并且通过数字和实验检查加热器的热响应,所述加热器或者被PCM圆柱包围或者被PCM夹套包围。如上所述,关于被动式TMS研究的锂离子电池的几何形状大部分是圆柱形的。 对于矩形Liion电池,文献中几乎没有涉及PCM冷却的文章。 还有一些其他研究涉及锂离子电池被动式TMS的结构。Rao等人用无源TMS对老化的矩形电池进行数值模拟,得出结论:良好设计的无源TMS需要合适的PCM熔化温度和适当比例的电池与PCM之间的导热系数。Ramandi等人设计了一种新型的被动式TMS,其中使用了双系列PCM外壳。他们的有限体积模拟表明,与单电池系统相比,双壳系统的效率更高。 Li等人研究了一种类似三明治的冷却系统,其中使用了PCM饱和的泡沫铜。他们表示,矩形动力电池的表面温度明显下降,电池模块的热均匀性显著增加。

显然,文献中报道的大多数关于锂离子电池被动式TMS的研究都集中在圆柱形和小容量的电池上。用于大容量和矩形电池的PCM冷却在数值和实验上都没有得到充分的研究。在本文中,我们将利用PCM介绍具有和不具有被动TMS的大容量和矩形LiFePO4电池组的详细实验和建模研究,以期提供对由恒定电流冷却的锂离子电池的热响应,深入了解放电和复杂的充电放电循环。我们还提出了一种新型的PCM冷却系统的传热增强方法,其中将膨胀石墨基体和石墨片材相结合。

2.PCM的电池组的设计

PCM电池组的原型如图1所示。它由6个电池串联的子模块,7块石墨片和12块PCM / EGM复合材料组成。将不具有PCM和石墨的类似电池组样品(即,由6个串联的电池单元和PET盒组成)作为对照实验。电池和其他热管理组件详细如下。

2.1 电池组电池

本研究选择长100mm,宽32mm,高180mm(由中国EV电池公司在上海供应)的商用矩形电池。实验中使用的所有电池均从同一批次中选择,并且在热响应测试实验之前以低恒定电流速率进行循环充电和放电。他们的参数列在表1中。

参数

额定电压(V)

额定容量(Ah)

质量(kg)

放电截止电压(V)

过充电保护电压(V)

最大充电电流(A)

最大放电电流(A)

额定放电电流(A)

充电时的工作温度(C)

放电期间的操作温度(C)

存储温度(SOC = 0.5)(C)

循环寿命(在室温下,

剩余容量frac14;60%,DODfrac14;100%)

3.2

40

1.25

2.5

3.8

160

  1. (1 min)

10

0-45

-20-45

-10-35

2000

表1 本研究中使用的细胞的性质。

在本文中,单个电池指的是主要包含阳极,阴极,隔膜和电解质的电池。 虽然电池单元或电池是指包含几个封装的单个电池的电池。

2.2 PCM / EGM复合材料和石墨片的表征

在电池组原型中使用具有高导热率,低热膨胀比和低表面硬度的薄而致密的光泽纸状石墨片,期望提高TMS的导热性。表2列出了石墨片的特性。

EGM是由膨胀石墨制成的板,复合PCM是用石蜡浸渍的EGM。 其他研究人员报告了EGM和复合PCM制备的细节。分别使用热常数分析仪(Hot Disk TPS 2500)和氙闪光装置(NETZSCH LFA 447)表征石蜡和该产品中复合材料的热导率。 在差示扫描量热仪(MDSC-Q100)上测量石蜡和复合材料的相变温度和潜热。 通过DSC的数据在氮气氛下在0℃至80℃的温度范围内以5℃min -1的升温速率收集。 这些石蜡和复合材料的物理和热性能也在表2中给出。

从表2可以发现,复合材料的导热系数比石蜡高24倍,表明复合材料中的EGM显着提高了导热系数。 其他研究人员报告了类似的结果。但是,考虑到蓄热,EGM的引入将不可避免地导致复合材料的潜热降低,这是潜热储存材料所不希望的。 在我们的工作中,复合材料的潜热为石蜡的76%,这相当于复合材料中石蜡的质量分数,表明复合材料也具有相对高的潜热储存能力。

属性

石墨片

石蜡

复合PCM

尺寸:(宽度times;厚度times;高度)(mm)

密度

导热系数

比热容

潜热

相变温度

160times;1.62times;182

2300

400(水平)20(垂直)

0.71

-

-

-

910

0.16

-

174.4

23.9-27.1

30times;8times;182

842

3.95

2.39(含熔化石蜡)

132.6

21.6-25.5

表2 石墨片,石蜡和复合PCM的热性能和物理性能

2.3 电池组样机的设计和规格

电池组的原型设计如图1所示。电池组中,电池组并排放置在盒子的中间,并沿厚度方向夹紧以避免充电和放电时的体积膨胀。电池盒由19.5 mm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成,用于将模块和热管理组件与环境隔离。 对于TMS本身,根据其功能可以分为两个区域:1)PCM,吸收和储存电池通过液固相变产生的热量的材料,2)EGM和石墨片,增强PCM吸热率的组件以及子模块上的热均匀性。

图2显示了带有无源TMS的电池组的热通量。热量从电池传导到PCM主要有两种方式:一种是通过电池和PCM之间的直接接触表面,以及另一种是通过具有高平面内热导率的石墨片。预计热管理部件的这种对称配置会增加整个模块的温度均匀性,因为由中央电池产生的热量可以均等地传导至两个侧翼处的复合PCM。

图1.带有被动式TMS的电池组原型 图2.带有无源TMS的电池组热通量示意图。

  1. 实验

3.1。 实验装置

在热性能测试平台上评估有和没有被动TMS的电池组的热响应。 在图3所示的测试系统中,使用电力电子负载设备(EVTS 156303-A,宁波贝特科技有限公司,中国)对电池和恒温器(SETH-Z-040L, 温度波动为0.3C,体温调节范围为)创造一个恒温环境。模块中的电池表面放置了11个T型热电偶(TC-TFF2 * 0.25 * 3000 MM,精度误差plusmn;0.5C,中国上海南浦仪表厂)。通过热电偶测量的温度被HIOKI 8423记录器实用程序收集并每4秒发送到计算机。在实验开始之前,将电池组放置在恒温器中10小时以保证整个电池组的温度均匀性和稳定性。

图3.电池组热响应测试平台示意图

3.2 在1C和2C倍率放电期间,具有和不具有PCM的模块之间的温度响应的比较

图4显示了具有和不具有1C放电率的PCM的电池模块的温度曲线。 PCM的电池模块的最高温度仅为24.4℃,低于PCM熔化范围的上限(表2),而没有PCM的模块的最高温度最终达到35.2℃,远远高于上限值,表明 使用石蜡可将最终电池温度降低32%。 这一结果可归因于PCM的热吸附和储存,主要是固体液相变周期。从图4中还可以看出,有和没有TMS的模块的最大温差分别为2.0℃和2.8℃,表明TMS在1C放电率下的电池温度控制和温度均匀性表现良好。

至于图5所示的2C放电,没有PCM的模块的最高温度为43.4,非常接近放电期间推荐的工作温度范围的上限(表1中的)然而,PCM模块的最高温度仅为27.7℃,比前者低13.4℃。 显然,PCM的存在使电池温度下降了37%。这些结果证明,使用石蜡作为吸热介质的TMS也可以有效地降低2C倍率放电期间的电池温升。两个模块的最大温度差异均为3.8℃,高于1C速率放电模块的温差,表明当温度分布的发热率大时,TMS表现不佳。下一节将进一步讨论模块之间的温度差异。

在2C放电期间PCM的温度响应与时间的关系也在图5中给出。最高平均温度仅为23.8℃,比其熔点上限低1.7℃,而最高电池表面温度比上限高2.2℃。 这表明,如果2C速率放电需要模块的更好的热均匀性,则该电池组需要更高的复合材料导热率。

值得一提的是,对于通常在短距离内行驶的电动车(例如小于10公里,在这种情况下,电动车通常被用作工作场所和家庭之间的日常运输工具),具有足够PCM的被动式TMS能够冷却动力电池。但是,对于那些用于长途运输的电动汽车,电池组是循环充电和放电的,在这期间电池内部持续产生热量。在这种情况下,被动TMS可能不足以达到散热要求。为了解决这个问题,使用空气或液体循环的主动TMS可以被添加到被动式TMS中,以将PCM中的潜热储存去除到环境中。无源和有源TMS的组合预计将不仅实现优异的冷却性能和高能效,而且还克服了传统冷却方法的一些缺点,例如液体冷却方法的复杂性。

图4.在1C放电速率下(I = 40 A),具有和不具有PCM

的电池模块的实验温度响应。

图5.在2C放电速率下(I = 80A),具有和不具有PCM的

电池模块的实验温度分布。

3.3 在1C和2C放电率下,模块与TMS的温度差异

在1C和2C倍率放电期间模块内的温度差异如图6所示。曲线显示温度均匀性通常随时间而恶化。1C和2C倍率放电的温差分别达到2.0℃和3.8℃,表明温度均匀性也随着电流速率的增加而恶化。考虑到模块温差为5的

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