PA/EG耦合风冷电池热管理系统轻量研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.02.006

摘要/Abstract

摘要：

本文提出了一种将复合相变材料（石蜡（PA）混合膨胀石墨（EG））与空冷相耦合的电池热管理方案（简称APE-BTMS），该系统中电池中部采用PA/ EG进行冷却，电池的上下端采用空冷（空气流速为1.23 m/s）。APE-BTMS的主要目的是，将电池的工作温度冷却到最佳温度范围的同时，减轻整个电池热管理系统的质量。实验结果表明：APE-BTMS-45模型在相同的条件下展现了最佳的冷却性能；同时，基于COMSOL建立APE-BTMS数值模型，进行更加精细地轴向厚度和不同环境温度下对APE-BTMS冷却性能加以对比，经数值模拟结果进一步验证，APE-BTMS-45在对比数据中具有最佳的冷却性能，并可最大轻量216.71 kg。本文的研究结果可为基于相变材料的电池热管理系统的设计开发提供参考和数据支撑。

关键词: 锂离子电池, 复合相变耦合风冷, 电池热管理系统

Abstract:

In this paper， a battery thermal management system based on air cooling coupled with the composite phase change materials cooling （referred to as APE-BTMS） is proposed， in which the composite phase change materials （PA/ EG） are obtained by mixing the paraffin wax （PA） and the expanded graphite （EG）. In this system， the middle part of the battery is cooled by PA/ EG， and the upper and lower ends of the battery are cooled by air with the air velocity of 1.23 m/s. The main purpose of APE-BTMS is to reduce the total weight of the battery thermal management system while cooling the working temperature of the battery to the optimal temperature range. The experimental results show that the APE-BTMS-45 model has the best cooling performance under the same conditions. A numerical model of APE-BTMS based on COMSOL is established to compare the cooling performance of APE-BTMS at different ambient temperatures and more finely axial thickness. The numerical simulation results further verify that APE-BTMS-45 has the best cooling performance in the comparative data， and can reduce the weight by 216.71 kg at maximum. The research results of this paper can provide reference and data support for the design and development of battery thermal management system （BTMS） based on phase change materials.

Key words: Li-ion battery, composite phase change material coupled with air cooling, battery thermal management system

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图/表 23

表1

图1

图2

表2

图3

图4

图5

表3

表 4

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

图16

表 5

附表 1

模拟中的锂离子电池参数"

参数	数值	参数	数值
$Q c e l l . 0$	3.3	$I c e l l$	$3 Q c e l l, 0$
$S O C$	1	$τ 0$	1 000
$J 0$	0.65

附表 1

附表 2

开路电压温度依赖性对应的插值"

2C		3C
SOC	$? E O V C ? T / (V · K - 1)$	SOC	$? E O V C ? T / (V · K - 1)$
0	3.5e-4	0	3.5e-4
0.24	0	0.24	0
0.34	-2e-4	0.34	-2e-4
0.39	-2e-4	0.39	-2e-4
0.44	-3.4e-4	0.44	-2e-4
0.5	-3.4e-4	0.5	-2e-4
0.6	-1e-4	0.6	-1e-4
0.7	-0.8e-4	0.7	-0.78e-4
0.76	-0.8e-4	0.76	-0.8e-4
0.86	-0.8e-4	0.86	-0.8e-4
0.92	-1e-4	0.92	-1e-4
1	-6.5e-5	1	-6.5e-5
1	-9e-5	1	-9e-5

附表 2

参考文献 19

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参数	数值
电池容量	3 300 mA·h
额定电池电压	3.6 V
放电截止电压	2.8 V
充电截止电压	4.2 V

参数	数值
密度/（kg·m^-3）	830
比热容/（J·（kg·K）^-1）	2 644
潜热/（J·kg^-1）	154 200
相变温度/℃	48
导热系数/（W·（m· K）^-1）	2.759

技术参数	数值
热电偶类型	K 型
测温范围	-50- 200 ℃
测量精度	0.2 ℃
测量输出信号	电压信号（mV）
热电偶材质	镍铬（正）-镍硅（负）

组别	编号	锂离子电池冷却模式	调查因素	PA/ EG的径向厚度/mm	PA/ EG的轴向厚度/mm
1	Without-cooling	无	空白组	0	0
2	C-BTMS-8	PA/ EG	径向厚度	8 9 10	65
	C-BTMS-9
	C-BTMS-10
	C-BTMS-8
3	APE-BTMS-55	PA/ EG+空冷	轴向厚度	8	55 45 35
	APE-BTMS-45
	APE-BTMS-35

模型类型	电池热管理系统冷却方式	估算质量/kg
C-BTMS-10	相变材料	455.95
C-BTMS-9	相变材料	399.23
C-BTMS-8	相变材料	345.57
APE-BTMS-60	相变材料+风冷	318.98
APE-BTMS-55	相变材料+风冷	292.41
APE-BTMS-50	相变材料+风冷	265.82
APE-BTMS-45	相变材料+风冷	239.24
APE-BTMS-40	相变材料+风冷	212.66
APE-BTMS-35	相变材料+风冷	186.08