基于变接触面积的锂离子电池模块热管理系统

论文信息： Ekta Singh Shrinet, Lalit Kumar. A novel thermal management system design based on variable contact area to maintain uniform temperature in Li-ion battery module. Journal of Energy Storage 72 (2023) 108332.

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108332

传统发动机车辆是碳排放的重要来源之一，占全球碳排放量的 25 - 30% 。锂离子电池具有高能量密度、高功率密度、高电压输出、高比能、平坦放电特性、超长保质期等优点，是电动汽车和混合动力汽车的首选电池。为了在整个电池模块中实现所需的热均匀性，在确定接触面积的变化时，必须考虑从每个电池传递到冷却剂的热量。因此，本文建立了一种新的变接触面积关系，旨在通过液冷剂均匀地从每个电池中散热，以保持整个电池模块的热均匀性。利用所提出的递归关系得到了圆柱形电池模块的液冷 BTMS 的不同几何形状。在最高温度 (Tmax) 、最大温差 (ΔTmax) 和重力能量密度方面，比较了从所提出的关系中得到的不同几何形状的性能，并与恒定接触面积的 btms 进行了比较。该关系可适用于不同尺寸、布局和排列方式的电池模块的 BTMS 设计。

在稳定状态下，热量被放置在电池和冷却剂通道之间的导电铝块从电池中带走。铝块与冷却液通道之间的接触面积设计为从第一个电池到最后一个电池依次增加。这样的设计策略倾向于减小电池模块的温差。图 1(a) 为单个电池及其与铝块的角接触示意图。图 1(b) 显示了一系列多节电池，排列间隙为 2mm ，周围是冷却剂通道。角 θ( 图 1(a)) 用作确定铝块与冷却液通道之间接触面积的参数。冷却水采用水作为冷却剂，冷却液在截面为 65 × 2mm2 的通道中流动。

图1(a)单个电池与铝块的基本原理图，(b)与冷却液通道接触面积增大的串联电池示意图。

图 2(a) 示出电池模块达到稳态后的温度曲线。随着冷却液通过铝块不断吸收电池的热量，冷却液的温度在流动方向上升高。因此，单个电池的最高温度也在冷却剂流动方向上升高 ( 图 2(b)) 。模块第一块和最后一块电池的 Tmax 分别为 38.7°C 和 40.1°C 。如图 2(c) 所示，由于电池在径向的导热系数较低 ( 表 1) 。电池模块 (ΔTmax) 的最大温差为 1.4◦c 。在基本情况下得到的 Tmax 和 ΔTmax 值完全在前面提到的允许范围内。因此，通过使用所提出的接触面积关系获得的电池模块的基本情况几何形状导致模块中的 ΔTmax 显着降低，同时实现整个模块的热均匀性 ( 图 2(a)) 。

图 2 (a) 冷却剂流量 = 2.6 mL / s 时电池模块温度分布图 (◦C) ， (b) 流动方向排列的电池 Tmax(◦C) ， (C) 第一节和最后节电池径向温度分布图 (◦C) 。

图 3(a) 所示。由于冷却剂流量的增加而引起的传热系数的增加 ( 对于相同 S1 的几何形状 ) 在确定接触面积的增加速率方面起着重要作用。对于较高的冷却剂流量值，设计的配置要求在流动方向上的接触面积的增量较小。第一接触角 θ1 决定了图 3(a) 中纵轴上的截距值。如图 3(b) 所示。为了保持电池模块内的热均匀性，由于温差减小，冷却剂与铝块之间的换热系数下降，需要增加流向上的接触面积。连续两次迭代得到的接触面积分布随着几何迭代次数的增加而收敛。在第二次迭代后，传热系数的变化小于 5% ，没有明显的优势。从图 3(c) 可以看出，每次迭代后，所有几何图形的 Tmax 值都在减小。电池模块 ΔTmax 与迭代次数的关系如图 3(d) 所示。可以观察到 ΔTmax 的值在每次迭代后都会减小，并且与 Vd 和 S1 有关。第二次几何迭代后，几何 A 在 A - d 中 Tmax 值最高， ΔTmax 值最高，几何 C Tmax 值最低， ΔTmax 值最低。由于几何形状 A 和 B 设计用于较低的冷却剂流速，因此与其他几何形状相比， ΔTmax 值在这些情况下更高。由此可见，即使在较高的冷却液流量下， S1 对电池模块 ΔTmax 值的决定也起着重要作用。

图 3 (a) 几何形状 a - D 的电池与铝块的接触面积， (b) 几何形状 D 的接触面积随几何迭代的变化 ;(c) Tmax( ◦ c) 和 (d) ΔTmax( ◦ c) 的几何图形 A-D 的迭代变化。

图在BTMS运行期间，在其他运行参数保持不变的情况下，冷却剂通过系统的流量是影响模块ΔTmax的主要变量。图13(A)描述了几何形状A - D的Δ Tmax随冷却剂流速的变化。图13(b)为对图13(a)数据进行四次多项式曲线拟合后得到的曲线图。拟合曲线的R2值均大于0.9999。识别Δ达峰时间为目标函数最小化,和冷却剂流量V作为唯一的决策变量,图13中的拟合多项式(b)分化对诉产生的衍生品对应于每个几何图形是预测的值设置为0 V的btms。

图 4 (a) a - d 几何形状下电池模块 ΔTmax(◦C) 随冷却剂流量 V 的变化情况， (b) 多项式拟合后的对应曲线图。

综上所述， 在本工作中，建立了一种新的变接触面积递归关系，用于设计液冷 BTMS ，以实现温度均匀性和 Tmax 值在允许范围内。根据所提出的递推关系，电池和相应铝块之间的接触面积沿着冷却剂流动方向增加，以补偿冷却剂和电池之间温差的减小。不断增加的接触面积确保了每个电池到冷却剂的热流速率几乎相同，从而保持整个模块中电池的温度均匀。所提出的可变接触面积几何形状取决于设计流速、第一电池接触角和冷却液 ( 水 ) 的热物理性质。建立了电池模块的三维传热和冷却液流动模型，并与文献中的实验结果进行了验证。数值研究进行了不同的情况下的可变和恒定的接触面积几何 ( 表 3) 。 Tmax 降低了 0.7% ， ΔTmax 从 5.7◦C 到 1.5◦C( 降低 73.9%) 在可变接触面积几何 ( 几何 - f) 与恒定接触面积几何 ( 几何 - f) 。同样，可变接触面积几何形状在 Tmax 方面优于等平均接触面积几何形状 3.7% ， ΔTmax 优于 72.5% 。一般来说， Tmax 随冷却剂流量的增加而减小。但 ΔTmax 初始值随着冷却剂流量的增大而减小，达到最小值，然后随着流量的进一步增大而增大。可变接触面积几何比等最大接触面积几何的重量低 57.2% 。根据系统的允许规格，在设计 BTMS 时必须考虑泵送功率、重量和允许工作温度范围等多种因素。本文提出的可变接触面积关系可用于设计模块内温度均匀性更好的 BTMS ，并可应用于各种形状和尺寸的电池。