采用相变热开关的软包电池热管理研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22113

摘要/Abstract

摘要：

针对电池热管理的问题，提出一种基于相变材料硬脂酸和热开关耦合的新型电池温控装置。以软包锂离子电池为对象，应用相变材料耦合热开关的温控装置，并基于数值模拟的研究方法对其温控效果展开研究。装置基于有机相变材料硬脂酸在相变过程中的体积变化特性为机械热开关提供被动驱动，能在电池工作温度较高时迅速为其散热，并能在电池工作温度较低时及时保温。数值仿真结果表明：与无热管理系统的电池相比，相变热开关温控使电池在4 C高倍率放电结束时的最终温度下降了22.46 ℃；在外界环境温度为-20 ℃时，相变热开关温控使电池温度管理时间延长了390 s，具有优良的控温特性。

关键词: 锂离子电池, 电池热管理, 热开关, 相变材料, 被动温控

Abstract:

In view of the battery thermal management system, this paper proposed a new battery temperature control device based on the phase change material stearic acid and thermal switches. The device is applied to the pouch cell. The cooling and heat preservation abilities were studied based on numerical simulation. It provides the passive drive for the thermal switch based on the volume change characteristics of the organic phase change material stearic acid during the phase change process, which can effectively dissipate heat when the battery temperature increases. Thermal energy dissipation is decreased when the battery is used in a cold environment. The numerical results show that, compared with the battery without the thermal management system, the temperature control system with the phase change material and thermal switch reduces the battery temperature by 22.46 ℃ at the end of the 4 C rate charge and discharge. When the external ambient temperature is -20 ℃, the novel thermal management system prolongs the battery temperature management time by 390 s.

Key words: lithium-ion battery, battery thermal management, thermal switch, phase change material, passive temperature control

中图分类号:

TK 01

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图/表 15

图1 电池热开关装置结构示意图

Fig. 1 Structure diagram of battery thermal switch device

图2 包含电池的基本结构单元模型

Fig. 2 Basic unit cell model including a battery

图3 一维锂离子电池模型

Fig. 3 1D Lithium-Ion battery model

表1 锂离子电池正负极材料主要参数

Tab. 1 Main parameters of positive and negative electrode materials for lithium-ion battery

参数	Li _x C₆(负极)	LiMn₂O₄(正极)
电极固相扩散系数/(cm²/s)	3.9×10^-10	10×10^-9
交换电流密度/(mA/cm²)	0.11	0.08
最大电解质盐浓度/(mol/dm³)	26.39	22.86
粒子半径/µm	2.5	1.7
电极体积分数	0.384	0.43
电解质体积分数	0.444	0.4
初始电解质盐浓度/(mol/m³)	22 055	4 001
电极电导率/(S/cm)	1.0	0.038

表2 电池材料热物性参数

Tab. 2 Thermophysical parameters of battery materials

项目	导热系数/[W/(m⋅K)]	厚度/ µm	密度/ (kg/cm³)	比热/ [J/(kg⋅K)]
正极	1.508	55	2 328.5	1 269.21
负极	1.04	55	1 347.33	1 437.4
正极集流体	170	10	2 770	875
负极集流体	398	7	8 933	385
隔膜	0.344	30	1 008.98	1 978.16

表3 锂离子电池参数

Tab. 3 Lithium-ion battery parameters

参数	数值
1 C倍率放电电流密度/(A/m²)	12
电池导热系数/[W/(m⋅K)]	X方向：29.557
	Y方向：0.897
	Z方向：29.557
电池密度/(kg/m³)	2 055.2
电池比热/[J/（kg⋅K)]	1 399.1

表4 相变材料及其他材料热物性

Tab. 4 Thermophysical properties of phase change material and other materials

材料

导热系数W/(m⋅K)

密度/

(kg/m³)

比热/

[(J/(kg⋅K)]

潜热/

(kJ/kg)

硬脂酸

1.6

1 007(s)

862(l)

1 760(s)

2 270(l)

表5 网格无关性测试

Tab. 5 Grid independence test

参数	网格1	网格2	网格3
网格数目	29 000	47 840	86 260
平均温度/℃	56.062 5	56.062 4	56.062 5
最高温度/℃	56.385	56.392	56.395

表6 时间步长无关性测试

Tab. 6 Time step independence test

步长	时间步长
步长	1(1 s)	2(0.5 s)	3(0.25 s)
平均温度/℃	56.054	56.062	56.061
最高温度/℃	56.384	56.392	56.392

图4 不同相变材料填充量对电池温度的影响

Fig. 4 Influence of different phase change material dosage on battery temperature

图5 不同时刻电池温度分布

Fig. 5 Battery temperature distribution at different times

图6 不同放电倍率电池温度变化

Fig. 6 Temperature variation of batteries with different discharge rates

图7 电池产热量及相变储能和热开关耗散的热量变化

Fig. 7 Heat generation of battery and heat storage of phase change energy and heat dissipation of thermal switch

图8 电池在低温环境中的温度变化

Fig. 8 Temperature variatioin of battery in cold environment

图9 等效热阻的变化

Fig. 9 Variation of thermal resistance

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