一種用于方形鋰離子電池的新型電池熱管理系統(tǒng)

來源|Applied Thermal Engineering

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背景介紹

全球變暖問題越來越引起政府、公司和其他各組織的關(guān)注，發(fā)展清潔和可持續(xù)的替代能源已成為一個十分重要的話題。使用電動汽車代替內(nèi)燃機汽車有望成為實現(xiàn)降低溫室氣體排放量目標的一個很有前景的解決方案。然而，對電動汽車性能的擔憂影響著消費者們的選購偏好，這也促使電動汽車制造商不斷提高其電池組的能量密度。從2008年到2020年，一個典型的電動汽車動力電池組的平均能量密度從55 Wh/L增加到450 Wh/L，這是通過在電池組中安裝更多的電池來實現(xiàn)的，這導致總產(chǎn)熱速率急劇上升。

此外，阻礙電動汽車廣泛使用的另一障礙是充電所需時間過長。因此，快充（FC），即通常被定義為一個電荷率（C-充電率）高于1C的充電過程，已被用于新一代電動汽車，與此同時，鋰離子電池也會產(chǎn)生更大的熱量，

溫度會顯著影響電動汽車 (EV) 中鋰離子電池組的能效、安全性、壽命和性能。電池在快速充電（FC）中整體溫度高、溫差大，會導致性能下降，甚至出現(xiàn)熱失控等災難性故障。此外，電池組能量密度的增加限制了熱管理系統(tǒng)的空間，這些因素對新一代BTMS提出了更高的要求。

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成果掠影

近期香港科技大學邱惠和教授團隊開發(fā)了一種基于超薄熱接地平面的電池熱管理系統(tǒng)(UTTGP-BTMS)，采用0.4mm厚的新型UTTGP風冷散熱，將電池間隙的熱量散發(fā)出來，采用雙層高每英寸孔隙率 (PPI) 網(wǎng)格和潤濕性改性來提高 UTTGP 的熱性能。

在BTMS評估測試之前，電池在2.2C至4C快充條件下的發(fā)熱率通過Bernardi模型進行估算，然后，在 10°C 至 50°C 的環(huán)境溫度和 2.2C 至 4C的 快充條件下，通過實驗研究新型電池熱管理系統(tǒng) (BTMS) 的熱性能。BTMS能夠?qū)?C 充電率下55Ah磷酸鐵鋰電池的表面溫度維持在 42.7 °C以下，并且表現(xiàn)出良好的表面溫度均勻性。與采用銅散熱器的 BTMS 相比，熱阻大幅降低，同時，較高的孔密度在高C速率下也表現(xiàn)出更好的性能，該研究為電動汽車高功率電池熱管理提供了新的解決思路。

相關(guān)研究成果以“A novel battery thermal management system utilizing ultrathin thermal ground planes for prismatic Lithium-ion batteries”為題發(fā)表于《Applied Thermal Engineering》。

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圖文導讀

圖1 UTTGP的原理圖。(a)a UTTGP的橫截面示意圖，(b)a100mm×100 mm UTTGP的爆炸視圖。

圖2 掃描電子顯微鏡（SEM）照片，放大倍數(shù)(a)95×，(b)1200×，(c)15000×。

圖3 (a)在UTTGP-BTMS中使用的單個棱柱狀LFP照片。(b)UTTGP-BTMS的組裝。(c)UTTGP-BTMS的爆炸圖。(d)UTTGP-BTMS的開發(fā)組件照片。(e)恒溫腔室照片。(f)電池測試系統(tǒng)照片。

圖4 實驗裝置的原理圖。

圖5 (a)蒸發(fā)器溫度不同填充比、熱阻(b)、35℃環(huán)境溫度下(c)電池放電充電循環(huán)試驗下的比較。

圖6 #500 UTTGP-BTMS在2.2C充電下的熱性能：(a)電池表面溫度，(b)UTTGP-BTMS熱阻，(c)電池表面溫度不均勻率，(d)電池表面溫度的總體標準差。

圖7 UTTGP-BTMS與裸銅板BTMS的熱性能比較。

圖8 #500和#450 UTTGP-BTMS在不同環(huán)境溫度下的溫度不均勻率的比較：(a) 40℃，(b)35℃，(c)30℃，(d)25℃，(e) 20℃。

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審核編輯黃宇