锂离子电池组液冷测试系统的数值-实验方法设计

来源 | Journal of Energy Storage  

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背景介绍

2023年2月，欧洲议会通过法案，从2035年开始停止销售燃油车。电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）具有环保和能源可再生的优势，是替代的最佳选择。与燃油车。锂离子电池（LIB）由于具有高能量容量、低自放电率和无记忆效应等优点，被广泛用作电动汽车的储能系统。然而，温度严重影响锂离子电池的容量和寿命。较低的温度可能导致电池退化，而较高的温度可能引发热失控，从而造成安全隐患。

当前，对BTMS的研究根据冷却方式主要分为风冷、液冷、相变材料（PCM）冷却等三大类。风冷具有结构简单、易于封装、维护成本低、能耗低等特点。虽然提供相对较低的热交换能力，但该冷却系统在 LIB 系统中得到了很好的采用，对在较高电流速率下进行快速充电和放电操作的要求不高。液冷式一般传热系数较高，温度分布均匀，根据电池表面是否与传热流体直接接触，液冷方式一般分为直接接触式和间接接触式液冷。与间接接触冷却相比，直接接触液体冷却使用介电流体有效地去除电池热量，具有很大的紧凑性和高冷却速率，但在商业应用中可能不实用。另一方面，间接接触冷却更容易实施，并且使用较低粘度的流体以减少泵功率需求，并且已被广泛采用和研究，具有液体冷板（LCP），波浪管和热管。PCM 冷却本身是一种被动热管理类型，具有运行成本较低和温度均匀性较高的优点。PCM 冷却使用大量潜热，这些潜热可以存储在材料中以维持电池温度，并能够降低 LIB 电池组的最高温度和温差。然而，纯PCM由于导热系数较低，容易产生过多的热量积累，从而大大增加了热系统的重量。将泡沫金属和翅片应用于 PCM 被动冷却中，以增强 PCM 的传热，证明 PCM、泡沫金属和翅片的组合可以有效提高 LIB 的热性能并将温度保持在较低水平。在 PCM 壁上耦合了石墨烯增强的高导热金属隔板，该系统可以有效地将 4C 充电期间的最高温度限制在 55°C 以下。与风冷和 PCM 相比，液冷方法通常被设定为基准并广泛应用于汽车行业，锂离子电池 (LIB) 组的液体冷却系统 (LCS) 对于延长电池寿命和提高电动汽车 (EV) 可靠性至关重要。

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成果掠影

近期，上海理工大学Lei Sheng团队将电池组的热分布控制在每个新设计的 LCS 的理想水平内，建立了专用实验平台和LCS模型以及EV动力学模型，以精确确定组件的最佳匹配参数和系统的运行控制策略。结果表明，在常规条件下，实验与模拟之间的偏差在 3.0% 以内。更高的流量和更低的入口温度导致更低的电池温度，同时延迟冷却干预可以降低功耗20%左右。采用响应面法结合 遗传算法Ⅱ进行多目标优化，进一步降低功耗2750W，正常1C放电时电池温度30.83℃ 。此外，本优化还展示了驱动循环下电池温度和功耗之间的良好平衡解决方案。结合实验和仿真，这项工作对于为 EV 的 LIB 包设计一个优秀的 LCS 是有价值的。相关研究成果以“Numerical-experimental method to devise a liquid-cooling test system for lithium-ion battery packs”为题发表于《Journal of Energy Storage》。

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图文导读

图1 LCS结构图：LCS(a)原理图；(b)袋电池模块。

图2 LCS模型与EV动力学模型。

图3 LCS性能测试的试验设置(a)测试系统的示意图；(b)实际系统的照片。

图4 关键参数对冷却性能的影响：(a)流量(b)入口温度(c)干预时间；(d)连续冷却与延迟冷却的比较。

图5 LHS点和RBF方法响应面的可视化：(a)电池温度样品；(b)功耗样品；(c)电池温度响应面；(d)功耗响应面。

图6 NEDC测试：(a)两种不同配置的仿真结果；(b)优化值与优化配置的实验数据的比较。

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