热管耦合相变材料全气候锂离子电池热管理系统性能分析.pdfVIP

第57卷第6期中国电力Vol.57,No.6储能用锂离子电池

2024年6月ELECTRICPOWERJun.2024本体安全关键技术

热管耦合相变材料全气候锂离子电池

热管理系统性能分析

熊慧敏，彭跃中，何励学，胡章茂，王唯，田红

（长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南长沙410114)

摘要：电池热管理系统（BTMS）是保障储能电池在不同工况下安全高效运行的重要方法。基于相变材

料高潜热与热管高导热特性，设计了一种热管耦合相变材料的新型锂离子BTMS，该系统可实现全气候条

件下电池保温与散热一体化。采用数值模拟对BTMS的保温与散热性能进行研究。在低温环境下，通过模

拟电池放电过程和放电结束后电池温降过程，分析了保温层厚度和初始温度对保温性能的影响；在常温和

高温环境下，基于相变材料、热管、双层冷却通道耦合手段提出了相应的散热方案，有效保障了锂离子电

池在放电倍率0.5C~2.0C下的安全稳定运行。设计的BTMS可实现不同环境温度下的保温或散热需求，为实

现全气候锂离子电池热管理技术提供理论参考。

关键词：锂离子电池；热管理；全气候；相变材料；热管

D0I:10.11930/j.issn.1004-9649.202401029

O引言影响，从而提高电池能量转换效率。2023年6月

21日，国家工信部提出要支持全气候电池热管理

随着电力行业发展和储能技术的革新，电能技术的攻关研究。因此，建立全气候条件下锂离

存储技术研究备受关注。锂离子电池具有容量子电池热管理系统（batterythermalmanagement

大、能量密度高、循环寿命长等优势，然而电池system，BTMS）对于提高锂离子电池的安全性、

温度过高会导致电池寿命缩短、内部结构损坏，经济性和耐用性至关重要。

甚至发生热失控现象[!]，电池温度过低则会引起BTMS主要包括预热和冷却2个方面，现有

内阻增大、容量衰减、充放电效率降低等不利问研究主要针对电池冷却进行系统设计与结构优

题[2-3]，这已成为储能电站、新能源汽车、移动电化，根据冷却工质的不同可分为风冷[5]、液冷[6]、

源、通信基站等产业的共性问题。温度是制约锂相变材料（phasechangematerial，PCM）冷却[7]

离子电池性能的关键因素之一，为保障锂离子电等。其中，相变材料得益于其显著的潜热特性，

池安全高效运行，电池最佳工作温度应维持在在BTMS中广泛应用。文献[8]选用正十八烷和正

20~40℃，电池组最大温差△Tmax应控制在5℃之二十八烷进行了数值模拟和实验研究，结果表

内[4]。电池热管理技术能减弱环境温度对电池的明，相变材料的应用可有效延缓电池温度升高，

同时提高电池温度均一性。针对相变材料低导热

收稿日期：2024-01-07；修回日期：2024-04-09。特性的自身缺陷，研究人员通过引人金属翅片、

基金项目：国家自然科学基金资助项目（受限空间内纳米添加高导热系数材料、采用热管和冷却通道等手

流体非等温吸收CO2过程热质传递机理与调控方法研究，段提高其换热性能[9]。文献[10]研究了铝制翅片）；湖南省自然科学基金资助项目（基于纳米流形状结构对相变材料电池热管理系统性能的影

体的中空纤维膜接触式CO2非等温解吸特性及强化机理研响，发现采用二次分叉结构翅片可显著降低电池

究，2023JJ40044）；湖南省教育厅科学研究重点项目（直的最高温度，翅片数量以及电池与翅片间的接触

吸式太阳能热化学反应器内太阳辐射传输调控及温度场优热阻同样会影响电池散热性能。文献[11]以石蜡

化研究，23A0263）。为相变基体，通过添加新型纳米材料Mxene制备