采用多孔泡沫金属相变材料饱和的高功率锂离子电池的被动热管理的实验研究外文翻译资料

采用多孔泡沫金属相变材料饱和的高功率锂离子电池的被动热管理的实验研究

多相流动力工程，能源与动力工程学院，西安交通大学，西安国家重点实验室，

陕西710049，中国

亮点 : 1.使用泡沫石蜡复合材料的锂离子电池冷却结构的设计。

2.空气自然对流的热管理不能满足电池安全性需求。

3.纯相变材料的使用可以大幅减少电池表面温度。

4.铜泡沫和石蜡的交互影响会进一步降低电池温度。

5.孔隙率和孔密度的增加会使电池表面温度升高。

文章资讯：文章历史：2013年10月12日收到

2013年12月11日收到修订后的形式

2014年1月接受

2014年1月8日在线发布

关键词：热管理 锂离子电池 金属泡沫 相变材料

摘要：一个高效散热的策略，在所需的安全温度范围内对管理一个高功率锂离子电池包是对电动汽车（EV）的应用需求很大。铺在冷却结构之间的是夹着采用铜金属泡沫设计的材料，对该系统的热效率进行了实验评价，并与两个控制的原因进行比较：纯相变材料的冷却模式和空气冷却模式。结果表明，空气自然对流的热管理不能满足锂离子电池的安全要求。由于潜热的吸收和熔化的相变材料的熔化过程中的自然对流，使用纯的相变材料可以大大降低的表面温度并保持在允许的范围内的温度。复合的泡沫石蜡进一步降低电池表面温度和有效热导率的改善所引起的温度分布的均匀性的提高。此外，孔隙率和泡沫金属的孔隙密度增加会使电池表面温度提高。

1. 介绍

锂离子电池一般被视为替代镍电池和铅酸电池用于混合动力汽车（HEVs)和纯电动汽车（EVs)。由于它们的高功率密度、稳定的充放电循环和相对较长寿命，这些大规模的电池是并联或者串联在具有较高功率需求的一些应用上。在这种情况下，当使用这个集成包时，充电过程中的电池温度和放电过程必须在允许温度范围内，以避免由于过高（大于60℃）或极低温（低于0℃）造成的热失控的情况。它可降低电池的使用寿命，如在参考文献[1.2]中说明。除此之外，各个单元中的温度均匀性被证明是对电池组安全性的关键，因为由于大的昼夜温差的差异会导致整个电池组的容量减少。[3]因此，一个很高效的温度调节热管理系统对于高功率锂离子电池模块是很有必要的。

很多种散热技术和设计已经在以前的文献中报道了，Wu等人[4]设计了附着在电池表面的自包含热管以用来减轻放电过程中的温度增加。并发现该处热管与空气强制对流相结合会降低的温度增加的速率，并导致更加均匀的温度分布。Pesoaran [5]设计了一个液基热管理系统，用于应用在电动汽车的电池和在放电过程中测量的电池温度。结果表明，使用液基冷却系统会使冷却效率显著提高。 Nelson[6]等人建模和比较的热控制系统是一个基于空气冷却和流体冷却的方法的锂电池。他们的结果表明，应用于冷却电池时，该传递流体优于空气。Fan[7]等人发现，数值分析的空气冷却模块中的棱柱形锂离子电池的热行为会减少单元之间的间隙或增加空气的速度而导致的温度上升的降低。

强制空气对流和液体冷却的主动热管理会使热效率改善，然而，额外结构的复杂性或与能源供应相关的额外成本是必需的。在过去的几十年中，我们优选使用有机的相变材料热管理系统，有机的相变材料提供了更大的潜热，稳定的化学特性，合适的相变温度和合理的价格优势。[8]Sabbah等人[9]比较采用空气强制对流的两种散热模式的有效性和在相同放电条件下对于1.5Ah18650商务电池的相变材料。他们的实验结果显示，相比于重压力下环境温度为40度放电速率1.3C的主动式空气，该相变材料的冷却系统产生了更好的热性能。Duan和Naterer[10]实验研究的热管理技术使用相变材料的锂离子电池。他们的结果表明，该电池温度通过相变材料的装置降低到一个安全的温度范围。虽然相变材料是热存储和管理应用的最佳候选，大多数有机相变材料的内在不良的低导热系数在很大程度上已经限制高能量充放电速率系统的热应用。[11]在这个挑战面前，关于提高有效热传导率的相变材料的各种方案已经被提出。Fan and Khodadadi[12]进行实验和理论研究为导热系数增强技术，，包括添加扩展散热片，插入高导热性颗粒和使用适合的多孔金属。在电动车的应用中，Kizilel[13]等人报道，极端的环境条件下，在相变材料中结合膨胀石墨优于在各种放电率下的主动式空气冷却系统。Khateeb[14]等人在实验中调查了四家散热的原理为2.2Ah18650单元包，证实了使用泡沫铝/复合的相变材料与纯相变材料相比较，增加大约5C的情况下呈现一个额外降低的温度。李等人[15]研究的铜金属泡沫和相变材料的复合材料密封冷却技术的效率，实验的结果证明，使用金属泡沫可以显着地提高相变材料的有效热导率和减少加热器的表面温度。从文献综述上得到，调查研究泡沫-相变材料复合材料制成的高能量电池的热管理系统一直是不充分的。此外，电池热表面金属泡沫的几何参数影响在以往的研究中也很少提及。在这个研究中，高能量锰酸锂被动散热系统是使用金属铜泡沫和相变材料的集成设计的。两个额外的散热模式，包括空气自然对流和纯相变材料，也作为参考例。该系统的热行为是通过使用上述三种耗散模式比较电池的表面温度进行评价，对金属泡沫形貌参数的影响也进行了研究。

1. 相变材料和金属泡沫的热性能

商业石蜡（RT44 HC）作为有机的相变材料，在熔合点上，比热容和热石蜡是用差示扫描热仪(DSC, TA-Q20, USA)测量的。石蜡样品从20℃至80℃以5℃每分钟的速率加热的。图1显示出了测试结果。融合点是从42.76℃至49.24℃，潜热是270.7J/g，剩余的热性能示于表1。图2示出由中国长沙力元材料有限公司提供的五个具有不同孔隙率和孔密度泡沫样品（U，PPI：孔数perinch）铜发泡体的局部形貌在实验中使用。理论上有效导热率可由以下公式（1）—（4）确定。[16]几何参数和热动力学性质示于表2中。

1. 实验装置和程序

图3示出包括三个实验系统模块：试验段，充电/放电模块和数据采集​​系统。铜金属泡沫石蜡复合物是通过将液体石蜡浸入到金属泡沫的孔中热水浴后制备而成的。图4示出的是泡沫石蜡复合材料的热管理。电池组是通过十层泡沫石蜡板和九层锂离子电池板组成的能量为10Ah的形如三明治结构的紧密的形态。电池组集成在一系列的连接上。为了定量描述金属泡沫的影响，也是由类似的形态的纯相变材料设计的一个额外的热管理模式如图4所示。此外，该电池以串联连接简单的组装以证明空气在另一个参考的情况下的自然对流。由电池制造商提供的电池特性的细节列于表3中。

在恒定电流模式下，电池组的充电和放电是用精确度为百分之一的内电池循环仪（型号：DCLT-4805TL，台湾）。在充电过程中，该电池在恒定0.5C的速率下充电。再放电周期中，电池组被用来在三个独立的放电速率下测试：0.5C、1C和3C。0.1C的精度总共9T型热电偶（Omega Engineering公司，美国）被用来跟踪电池表面温度。每个热电偶安装在各电池的表面，因为中间电池被认为是呈现均匀的温度分布的。在试验期间，实验室电池组的环境温度要用另一个用于跟踪环境温度的热电偶保持和控制在25℃左右。在典型的周期中，电池在约25℃的初始温度下充电的充电过程完成之后，该电池组是自然冷却至环境温度。然后，电池组是在特定的速率下放电并再次冷却到稳定状态的温度。该电池的每30秒获得一次表面温度，并使用安捷伦数据采集履带系统（34970A，美国）。

4.结果与讨论

4.1利用空气自然对流冷却

图5显示出在整个充放电循环中，随电池组件在两个位置（区域5和区域9中，如图4所示）时间的历史温度在0.5C和1C的放电速率。在充电过程（S lt;95分钟）中，这两个温度曲线不断增加，直到在充电结束时区域5的最高温度达到42℃、区域9达到37℃。在放电周期期间（205分钟的lt;slt;265分钟），放电结束时区域5的温度从43℃增加到了68℃，这超过了电池的安全温度（65℃）。这戏剧性的温度上升是由于自然对流空气的低对流热转移空气自然对流系数和在如此综合的电池模块中空气运动的抑制。这种不良的温度升高表明，采用空气自然对流冷却的被动散热具有潜在暴露电池导致灾难性局势和危害电池使用寿命和后果，特别是在极端的环境条件。此外，该两个单元之间的表面温度差别更大，

超过10℃。Dickinson and Swan在参考中报道[17],认为一电池组温度分布的不均匀性会增加电池系统的容量衰减的机会。因此，电池组内较大的温度差是不期望出现的。

4.2使用纯相变材料冷却

图6示出在同一充放电状态下使用纯相变材料的热管理系统作为空气自然对流，其表面温度随时间的变化。在充电过程（S lt;95分钟），充电结束时单元5和单元9的最高温度是33℃和30℃，分别地和之前没有相变材料的案例相比少了9℃和7℃。在此阶段的温度没有达到相变材料的熔点所以并没有发生熔化现象。这种现象意味着通过石蜡热传导的热损耗效率比空气在充电过程中的自然对流的更大。在放电过程中，当温度从环境温度25℃第一次上升到石蜡的熔点42℃，温度上升的速率下降，是因为固体石蜡开始熔化并且在固液界面上被储存为相变材料的潜热。在放电阶段末，单元5和单元9的最高温度分别为53℃和47℃，均小于安全温度65℃.在放电后的冷却期（230分钟的lt;slt;465分钟），温度经历一个急剧下降到其熔点，在凝固结晶期间由于潜热的释放，温度平稳下降，知道温度接近起始熔化温度。然后因为明确的热释放占了上风，温度降低的速率再次升高。因此，纯相变材料的时间损耗由于潜热的释放是空气自然对流情况下的两倍。

4.3.使用铜泡沫石蜡复合冷却

因为在充电过程中的温度比电池安全温度低得多，放电过程中的表面温度只在这一节讨论。如图7显示了在放电率为0.5C、1C和3C时，在空气自然对流，纯相变材料和泡沫石蜡复合材料（，）的情况下，表面温度的反应情况。初始温度大约是25℃，在2.5C放电过程中，如图7（a）所示，三种情况下的温度几乎线性地增加。空气对流情况下的最高温度在放电结束时达到48℃。相比较而言，纯相变材料和泡沫与相变材料复合物的最高温度分别为41℃和40℃。这个结果表明，在0.5C放电率下石蜡依然保持为固相，这导致得出这样的结论：热传导是主要的传热机制。如表3中所示，泡沫石蜡复合物（0.82）的有效热导率比纯的相变材料(0.3)大，这导致在这三种情况中的最低温度，然而，泡沫相变材料复合体的温度比纯的相变材料的略低，因为接触热阻存在于泡沫和电池表面之间。对于电池组在1C放电率下经历的三种损耗模式中，电池表面温度的比较结果显示于图7（b）。空气自然对流的温度

是三种情况下最高的，最高温度可以达到70℃。这个最高温度超出电池安全温度（65℃）。相比之下，在这个放电率下纯相变材料和泡沫相变材料复合材料中的相变材料融化了。放电周期可分为三个区域：固态，熔融和液体。在固体区域，表面温度低于熔点，由于泡沫而增强的有效热导率，泡沫-石蜡复合物的表面的温度水平比纯的相变材料低。达到泡沫-石蜡复合物起始熔融温度（）所消耗的时间也就相应长于纯相变材料（）的。在熔化过程中，固体石蜡转化为液态，相当大的潜热被储存在移动固液界面，且发生自然对流，这被归因于熔融石蜡的浮力。在复合材料的熔融过程中，合并的热传导和熔化石蜡的自然对流发挥它们自己的作用。因此，热传导的效果比自然对流的好，这导致泡沫-石蜡复合物的

表面温度以相对低的速率增加，与纯相变材料相比，在融化温度范围内保持着一个较低水平。在液体阶段，对于纯相变材料和泡沫-石蜡复合物，只有明确的热量被吸收。在放电结束时，对于空气对流和纯相变材料，泡沫-石蜡复合物的表面温度与空气的表面温度相比分别下降了29％和12％。如图7（c）所示，这三种情况在3C的放电率下，表面温度随时间变化。温度曲线与图7（b）所示的那些相似。该实验是间歇性的，因为空气自然对流的温度在13分钟的放电过程中显著增加至80℃。通过缩短热管理时间（），加入泡沫结构的石蜡表面温度与纯相变材料的（）相比减少了近6℃，这是由于复合材料中潜热吸收总量的减少。虽然熔融处理后的纯PCM和泡沫-石蜡复合物的电池表面温度不超过65℃的限定点，对于前者，2分钟内温度升高了近8℃，对于后者，3分钟内升

高了近10℃。在高放电率下，这些表面温度的急剧增长对电池安全造成了一个潜在的威胁。这种情况可以通过扩大两个相邻电池之间的间隙，以适应用于相变材料的较大量来避免。

如图8所示，在图5、图6中显示的相同的充电和放电周期中，温度随着时间的变化情况。泡沫-石蜡复合物在放电结束时电池-5和电池-9在电池组之间的最大温度差约为4℃，这比空气对流模式（图5）和使用纯相变材料（图6）期间所观察到的差异明显要小一些。这个电池组的小温度梯度表示,相变材料浸入到到金属泡沫中能有效改善电池组温度分布的均匀性。

4.4.泡沫孔隙率的影响

图9显示了在1C放电率、20PPI的固定孔密度下泡沫孔隙率（=0.90,0.95,0.97）对电池-3表面温度的影响。有效导热系数，可以用等式 (1)-(4)来计算，与泡沫孔隙率呈负相关。孔隙率为0.90，0.95和0.97的泡沫-石蜡复合材料样品的有效热传导率分别为11.33，6.35和0.80。界面表面面积比用引用[18]中的等式(5)和(6)中的表达式来定义：

（5） （6）

界面面积随着孔隙率的降低而增加。低孔隙率的样品中，改进有效热导率和扩展表面积在降低电池的表面温度上起到积极的作用。相反，熔融石蜡的自然对流在低孔隙率的样品中被明

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