一种用于方形锂离子电池的新型电池热管理系统
来源 | applied thermal engineering
01
背景介绍
全球变暖问题越来越引起政府、公司和其他各组织的关注，发展清洁和可持续的替代能源已成为一个十分重要的话题。使用电动汽车代替内燃机汽车有望成为实现降低温室气体排放量目标的一个很有前景的解决方案。然而，对电动汽车性能的担忧影响着消费者们的选购偏好，这也促使电动汽车制造商不断提高其电池组的能量密度。从2008年到2020年，一个典型的电动汽车动力电池组的平均能量密度从55 wh/l增加到450 wh/l，这是通过在电池组中安装更多的电池来实现的，这导致总产热速率急剧上升。
此外，阻碍电动汽车广泛使用的另一障碍是充电所需时间过长。因此，快充（fc），即通常被定义为一个电荷率（c-充电率）高于1c的充电过程，已被用于新一代电动汽车，与此同时，锂离子电池也会产生更大的热量，
温度会显着影响电动汽车 (ev) 中锂离子电池组的能效、安全性、寿命和性能。电池在快速充电（fc）中整体温度高、温差大，会导致性能下降，甚至出现热失控等灾难性故障。此外，电池组能量密度的增加限制了热管理系统的空间，这些因素对新一代btms提出了更高的要求。
02
成果掠影
近期香港科技大学邱惠和教授团队开发了一种基于超薄热接地平面的电池热管理系统(uttgp-btms)，采用0.4mm厚的新型uttgp风冷散热，将电池间隙的热量散发出来，采用双层高每英寸孔隙率 (ppi) 网格和润湿性改性来提高 uttgp 的热性能。
在btms评估测试之前，电池在2.2c至4c快充条件下的发热率通过bernardi模型进行估算，然后，在 10°c 至 50°c 的环境温度和 2.2c 至 4c的 快充条件下，通过实验研究新型电池热管理系统 (btms) 的热性能。btms能够将 4c 充电率下55ah磷酸铁锂电池的表面温度维持在 42.7 °c以下，并且表现出良好的表面温度均匀性。与采用铜散热器的 btms 相比，热阻大幅降低，同时，较高的孔密度在高c速率下也表现出更好的性能，该研究为电动汽车高功率电池热管理提供了新的解决思路。
相关研究成果以“a novel battery thermal management system utilizing ultrathin thermal ground planes for prismatic lithium-ion batteries”为题发表于《applied thermal engineering》。
03
图文导读
图1 uttgp的原理图。(a)a uttgp的横截面示意图，(b)a100mm×100 mm uttgp的爆炸视图。
图2 扫描电子显微镜（sem）照片，放大倍数(a)95×，(b)1200×，(c)15000×。
图3 (a)在uttgp-btms中使用的单个棱柱状lfp照片。(b)uttgp-btms的组装。(c)uttgp-btms的爆炸图。(d)uttgp-btms的开发组件照片。(e)恒温腔室照片。(f)电池测试系统照片。
图4 实验装置的原理图。
图5 (a)蒸发器温度不同填充比、热阻(b)、35℃环境温度下(c)电池放电充电循环试验下的比较。
图6 #500 uttgp-btms在2.2c充电下的热性能：(a)电池表面温度，(b)uttgp-btms热阻，(c)电池表面温度不均匀率，(d)电池表面温度的总体标准差。
图7 uttgp-btms与裸铜板btms的热性能比较。
图8 #500和#450 uttgp-btms在不同环境温度下的温度不均匀率的比较：(a) 40℃，(b)35℃，(c)30℃，(d)25℃，(e) 20℃。
end
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此外，阻碍电动汽车广泛使用的另一障碍是充电所需时间过长。因此，快充（fc），即通常被定义为一个电荷率（c-充电率）高于1c的充电过程，已被用于新一代电动汽车，与此同时，锂离子电池也会产生更大的热量，
温度会显着影响电动汽车 (ev) 中锂离子电池组的能效、安全性、寿命和性能。电池在快速充电（fc）中整体温度高、温差大，会导致性能下降，甚至出现热失控等灾难性故障。此外，电池组能量密度的增加限制了热管理系统的空间，这些因素对新一代btms提出了更高的要求。
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成果掠影
近期香港科技大学邱惠和教授团队开发了一种基于超薄热接地平面的电池热管理系统(uttgp-btms)，采用0.4mm厚的新型uttgp风冷散热，将电池间隙的热量散发出来，采用双层高每英寸孔隙率 (ppi) 网格和润湿性改性来提高 uttgp 的热性能。
在btms评估测试之前，电池在2.2c至4c快充条件下的发热率通过bernardi模型进行估算，然后，在 10°c 至 50°c 的环境温度和 2.2c 至 4c的 快充条件下，通过实验研究新型电池热管理系统 (btms) 的热性能。btms能够将 4c 充电率下55ah磷酸铁锂电池的表面温度维持在 42.7 °c以下，并且表现出良好的表面温度均匀性。与采用铜散热器的 btms 相比，热阻大幅降低，同时，较高的孔密度在高c速率下也表现出更好的性能，该研究为电动汽车高功率电池热管理提供了新的解决思路。
相关研究成果以“a novel battery thermal management system utilizing ultrathin thermal ground planes for prismatic lithium-ion batteries”为题发表于《applied thermal engineering》。
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图文导读
图1 uttgp的原理图。(a)a uttgp的横截面示意图，(b)a100mm×100 mm uttgp的爆炸视图。
图2 扫描电子显微镜（sem）照片，放大倍数(a)95×，(b)1200×，(c)15000×。
图3 (a)在uttgp-btms中使用的单个棱柱状lfp照片。(b)uttgp-btms的组装。(c)uttgp-btms的爆炸图。(d)uttgp-btms的开发组件照片。(e)恒温腔室照片。(f)电池测试系统照片。
图4 实验装置的原理图。
图5 (a)蒸发器温度不同填充比、热阻(b)、35℃环境温度下(c)电池放电充电循环试验下的比较。
图6 #500 uttgp-btms在2.2c充电下的热性能：(a)电池表面温度，(b)uttgp-btms热阻，(c)电池表面温度不均匀率，(d)电池表面温度的总体标准差。
图7 uttgp-btms与裸铜板btms的热性能比较。
图8 #500和#450 uttgp-btms在不同环境温度下的温度不均匀率的比较：(a) 40℃，(b)35℃，(c)30℃，(d)25℃，(e) 20℃。
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