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新增高被引论文| 锂电池液冷热管理系统技术综述与比较研究
发布者: 徐俊 | 2024-06-01 | 967

新增高被引论文| 锂电池液冷热管理系统技术综述与比较研究

0.摘要

电池热管理系统(BTMS)是保证锂离子电池安全特性和工作特性的重要组件,基于液冷换热的电池热管理技术由于其换热效率高和热稳定性好的优势,在商业应用中被广泛采用。作为一个典型的复杂系统,需要充分关注其各种特性,包括热性能、模块效率、能耗和成本等。如何综合考虑这些目标,实现系统设计的协调优化成为一个重大挑战。

目前,基于液冷的BTMS的优化设计一般侧重考虑换热效率特性,而对系统的多目标优化过程和统一的评价体系并没有得到很好的提炼和总结。因此,西安交通大学徐俊教授课题组分别从液冷系统的分类方法和优化设计两方面进行了详细的分析和总结,并对几种典型的基于液冷的BTMS进行了统一化重构和数值模拟,从不同方面用五个指标进行了综合评估。研究成果发表于国际交通电动化杂志eTransportation

论文获取:

DOI: https://doi.org/10.1016/j.etran.2023.100242

1.背景介绍

锂离子电池较高的温度敏感性对其输出特性以及寿命衰退有很大的影响,研究人员建议合适的温度范围通常在25℃至40℃之间。过高的温度会加速电池老化并诱发热失控,从而导致安全事故;而较低的温度则会显著影响锂离子电池可用容量、功率特性以及充电接受度。电池热管理系统是解决上述电池热问题的重要手段,其中在冷却方面,通常包括空气冷却、液体冷却、相变材料(PCM)冷却、热管冷却以及上述方法的组合。不同的冷却方法适用于不同的应用场景,在高能量密度的电动汽车以及储能电站的应用中,液体冷却由于其较高的换热效率以及成熟的技术体系是目前最为广泛采用的方案。

本文对目前广泛使用的液冷系统的研究现状进行了介绍,并根据换热特性进行归类;此外,对系统的多目标优化流程进行了归纳和分析。构建了统一性评价方案对不同液冷系统进行了综合评估,对高性能液冷系统今后的发展以及评估体系进行了展望。

图1. 温度对电池特性的影响以及电池热管理的主要分类

2.基于液冷BTMS的分类

根据冷却液与电池的接触方式,基于液冷的电池热管理系统通常可分为三种类型,即直接接触型、间接接触型和复合型,如图2所示。直接接触型具有更高的冷却效率、更好的温度一致性和更高的紧凑性。然而,要确保电池组的密封性是非常困难的。论文总结了不同冷却液的换热效果。此外,冷却液和相变相结合作为其中的主要趋势,利用相变时大量的潜热来增强传热,包括蒸发换热、池沸腾和流动沸腾等。间接接触型液冷系统是目前使用最为广泛的、商业应用最成熟的方案,具有良好的密封能力、耐腐蚀性以及易操作性。液冷板和离散管道是其中两种典型方案,对于液冷板,电池组的热特性和冷却通道的设计关联性较大,在离散管道中,换热能力主要取决于管道的尺寸和布置方案。为进一步提升换热特性,很多研究将液冷系统和其他冷却方案相结合,包括相变材料、热管以及热泵空调等集成系统,论文对其进行了分析和阐述。