[01267798]基于超薄微热管的车用锂离子动力电池热管理系统传热特性研究

课题来源及与背景

锂离子电池充放电过程中产生大量热量，导致电池温度升高，温度均匀性变差，影响电池的电化学性能及寿命，甚至危及电池的安全性。电池热管理对保障电池安全和提高电池性能有重要意义。

研究目的与意义

电动汽车电池组总的发展趋势为高能量密度、高充电倍率，热管理的空间十分有限。热管在面向狭小空间的热管理有较大的优势，将超薄热管应用于电池热管理，有望解决电池组的热管理问题，同时较好地兼顾电池组能量密度。本项目采用超薄热管对动力电池进行热管理，并相应地开展了单体电池产热特性与传热机制、超薄热管传热特性及模拟分析以及基于超薄微热管的电池包散热特性等方面的应用基础研究。

主要论点与论据

（1）环境温度降低，欧姆内阻和极化内阻均增大，且前者受温度影响更明显。放电倍率增加，欧姆内阻也增大，欧姆热逐渐占主导;放电前中期，产热功率较低;当接近放电完全时，由于化学热和极化热迅速增加，导致电池温度迅速上升。

（2）恒功率放电下电池表面温度高于恒流放电下表面温度，但恒功率放电的工作电压和容量更低。随着时率减小或环境温度降低，两种放电模式的差异也将更明显。

（3）设计了三种螺旋编织丝网吸液芯结构的超薄热管，最佳充液率为120%，螺旋编织丝网吸液芯有利于增强热管性能，降低流动阻力。

（4）研究了弓形烧结吸液芯超薄热管（部分压扁）的传热性能。压扁厚度由2.0 mm至1.8 mm，蒸汽流动热阻增加63%。蒸汽流动热阻随压扁长度基本呈线性增加;蒸发段吸液芯热阻的占比最大，其次是压扁段蒸汽流动热阻，相比之下，突扩段的等效热阻较小。

（5）串联电池组的放电不均匀性在放电前中期缓慢增加，而在放电后期迅速上升，并在放电结束时达到最大值。电池组平均温度较低时，放电不均匀性更容易受到温差的影响，尤其当电池组平均温度低于20 ℃;放电倍率越高，单体电池的局部温差越大，电池组的放电越不均匀。而且，不同单体电池局部温差的差异进一步加剧电池组的放电不均匀。

（6）冷却液流量达到某一定值时，继续增大对电池热管理系统的冷却性能提升较小。不同环境温度下，该定值相同。减小进口冷却液温度有利于性能提高。在电池工作初期，热管理系统可不用启动。然而，当热管理系统在电池温度超过热平衡温度时启动，则会导致较大的电池温度不均匀性。

（7）建立了电池热管理系统的电化学-热耦合模型。

不同的冷却液温度下，电池内部的局部电流密度和锂离子浓度在放电初期呈相似的变化速度随后，对于较低冷却液温度的工况，局部电流密度和锂离子浓度变化更为剧烈，从而导致其空间分布不均。正极的固相锂离子浓度梯度的增加是低冷却液温度下电池组可用容量的减少的主要原因。

在圆柱形电池与热管之间加入导热元件能够显著降低电池的最高温度和最大温差。导热元件的结构参数中，导热元件高度对冷却性能影响最大，电池与导热元件接触角度次之，导热元件厚度和电池间距对电池温度的影响较小。

建立了电池组的传热网络模型，其模拟结果与使用计算流体力学模型获得的结果较好的吻合，不同放电倍率下采用传热网络模型所需的计算时间比数值模型少99.3 %左右。

创见与创新

（1）深入讨论了电池的产热特性，对比了恒功率和恒流放电模式下电池的温度变化和电学特性;

（2）设计了多种超薄热管，对其传热性能进行了理论及实验研究;

（3）建立了电池组的多层电化学-热耦合模型，开展了温差引起的电池组不均匀性研究;

（4）研究了基于热管的电池组热管理性能，探讨了不同环境温度下冷却水流量、温度以及系统启动时间的影响。

建立了基于热管的电池组热管理电化学-热耦合模型，分析了冷却过程中电池电化学性能变化;进行了结构参数敏感性分析，建立其传热网络模型;

提出了多种基于热管的电池热管理系统结构。社会经济效益、存在问题：

社会经济效益：项目成果可促进电动汽车、电子产品等行业的热管理技术发展;为电池热管理系统的进一步的优化和控制策略研究等提供指导;为电池组厂商、汽车企业提供借鉴，有利于减少开发成本;培养了相关领域的人才，有利于新能源汽车行业的发展。

存在问题：在与企业的合作研发中发现，热管理系统的耐用性是重要的考量指标之一。在长期使用过程中，热管与电池之间会出现接触不良、磨损等问题。在下一步研究中，课题组将开展相关问题及性能的研究和测试。

历年获奖情况：

2019年3月，获第二届“源创杯”创新创意大赛南部赛区优胜奖，获奖项目：基于超薄热管的高能量密度动力电池组热管理系统研究，完成人：甘云华，李勇，李华，罗燕来，梁嘉林，周文杰，陈钊书，邓励强，江政纬，王建钦，谭梅鲜，何林峰，黄昭惠。