基于过冷相变材料热开关的锂离子电池热管理系统

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21058

摘要/Abstract

摘要：

针对动力电池热管理的问题，提出一种耦合过冷相变材料六水合氯化钙和热开关的新型温控热开关装置。以18650圆柱型锂离子电池为对象，应用热开关装置并基于数值方法对其冷却和保温效果展开研究。装置基于过冷相变材料的体积变化特性提供机械热开关动作能力，与相变材料过冷现象结合进一步提高温控能力。分析结果表明，与无热开关的温控方式相比，过冷相变热开关温控使电池在5C高倍率放电结束时的最终温度下降了1.61 ℃，在外界环境温度-20 ℃时，过冷性相变热开关温控使电池温度管理时间延长了660 s。

关键词: 锂离子电池, 热开关, 六水合氯化钙, 电池热管理, 数值模拟

Abstract:

In view of the battery thermal management system, a novel type of thermal management system based on the coupling of supercooled phase change material calcium chloride hexahydrate and thermal switch was proposed. The thermal switch device was applied to 18650 lithium-ion battery and the cooling and heat preservation effects of the device were studied based on numerical method. The device provides power for thermal switch based on the significant change of the volume of the phase change material. Besides, it combines with the characteristics of the supercooled of the phase change material to further improve the temperature control capability. The results show that, compared with the thermal management system without thermal switch, the supercooled phase change thermal switch device can reduce the battery temperature by 1.61 ℃ at the end of 5C high-rate discharge. Moreover, when the external environment temperature is -20 ℃, the supercooled phase change thermal switch system extends the battery temperature management time by 660 s.

Key words: lithium-ion battery, thermal switch, calcium chloride hexahydrate, battery thermal management, numerical simulation

中图分类号:

TK 02

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图/表 18

图1 六水合氯化钙熔化和凝固曲线

Fig. 1 Melting and solidification curves of calcium chloride hexahydrate

图2 热开关示意图

Fig. 2 Schematic diagram of thermal switch

图3 热管理系统结构设计

Fig. 3 Structure design of thermal management system

表1 模型几何参数

Tab. 1 Geometric parameters of model

名称	符号	数值
模型高度/mm	X_H	65
相变材料底面积/ $m m 2$	$S P C M$	102.71
电池半径/mm	$R$	9
移动铜板厚度/mm	$δ P$	1
空气层厚度/mm	$δ a i r$	1.05
冷板厚度/mm	$δ C$	5
冷板两侧电池间距/mm	$X l$	30
冷板同侧电池间距/mm	$X t$	29.3

表1 模型几何参数

Tab. 1 Geometric parameters of model

名称	符号	数值
模型高度/mm	X_H	65
相变材料底面积/ $m m 2$	$S P C M$	102.71
电池半径/mm	$R$	9
移动铜板厚度/mm	$δ P$	1
空气层厚度/mm	$δ a i r$	1.05
冷板厚度/mm	$δ C$	5
冷板两侧电池间距/mm	$X l$	30
冷板同侧电池间距/mm	$X t$	29.3

表2 各部分材料的物性参数

Tab. 2 Physical parameters of each part of the material

材料	密度/ (kg/m³)	导热系数/［W/(m^·K)］	比热/ ［J/(kg^·K)］	潜热/ (kJ/kg)
18650电池	2 722	2.6(x方向)	970	—
		2.6(y方向)
		28(z方向)
六水合氯化钙	1 496(l)	0.54(l)	2 200(l)	190.8
六水合氯化钙	1 802(s)	1.088(s)	1 400(s)	190.8
空气	1.205	0.025 9	1.005	—
铜	8 900	401	390	—

图4 电池单体

Fig. 4 Battery cell

图5 网格无关性

Fig. 5 Grid independence

图6 时间步长无关性

Fig. 6 Time step independence

图7 高放电倍率下不同热管理系统对电池温度的影响

Fig. 7 Influence of different thermal management systems on battery temperature at high discharge rate

图8 电池温度的变化及相变材料液相率的变化

Fig.8 Change of battery temperature and liquid phase rate of PCM thermal switch temperature control

图9 电池处于低温环境时温度的变化

Fig. 9 Temperature variation of the battery in a low temperature environment

图10 相变材料的液相率

Fig. 10 Liquid phase ratio of PCM

图11 相变材料的温差

Fig. 11 Temperature difference of PCM

图12 相变材料的储热量

Fig. 12 Heat storage of PCM

图13 相变材料的吸收比

Fig. 13 Absorption ratio of PCM

图14 单电池温度变化情况

Fig. 14 Temperature of battery cell

图15 不同初温电池的温度变化

Fig. 15 Temperature changes of the battery with different initial temperatures

图16 不同初温时电池的温升

Fig. 16 Temperature rise of the battery at different initial temperatures

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