化工学报 ›› 2023, Vol. 74 ›› Issue (11): 4679-4687.DOI: 10.11949/0438-1157.20230786
收稿日期:
2023-08-01
修回日期:
2023-11-10
出版日期:
2023-11-25
发布日期:
2024-01-22
通讯作者:
李泽宇
作者简介:
邓均锐(1998—),男,硕士研究生,junruideng@foxmail.com
基金资助:
Junrui DENG(), Zeyu LI(), Jiayan CHEN
Received:
2023-08-01
Revised:
2023-11-10
Online:
2023-11-25
Published:
2024-01-22
Contact:
Zeyu LI
摘要:
发展非主动式动力电池热失控传播抑制技术对解决电动汽车在静置状态下的自燃事故具有重要意义。现有的非主动式技术是基于热阻隔机制,但由此形成的大热阻将严重影响日常的电池热管理性能。本文提出基于泵驱冷却与热电转换的准被动式动力电池热移出系统,将电池系统部分产热量转换为电能以实现准被动式的热移出,在此基础上与热阻隔相结合以减小阻断热失控蔓延所需的热阻。本文研制试验样机,通过实验分析不同电池系统发热功率工况下的热移出过程,探究发热功率分布的影响。当发热功率减少33%时,泵驱冷却过程散热量、热电转换过程吸热量及产生电能的稳态值分别降低30%、27%和15%。本文研究有助于显著提升电动汽车安全性能。
中图分类号:
邓均锐, 李泽宇, 陈嘉衍. 面向动力电池热安全的准被动式热移出系统[J]. 化工学报, 2023, 74(11): 4679-4687.
Junrui DENG, Zeyu LI, Jiayan CHEN. Pseudo-passive heat removal system for thermal safety of power battery[J]. CIESC Journal, 2023, 74(11): 4679-4687.
测量参数 | 传感器类型 | 量程 | 精度 |
---|---|---|---|
温度 | PT100 | -60~300℃ | ±0.3℃ |
压力 | 绝压传感器 | 0~1100 kPa | ±0.25% |
压降 | 差压传感器 | 0~2 MPa | ±0.2% |
体积流量 | 椭圆齿轮流量计 | 5~100 L/h | ±0.5% |
电功率 | 功率计 | 0~150 W | ±0.5% |
表1 测量仪器
Table 1 Measuring instrument of the system
测量参数 | 传感器类型 | 量程 | 精度 |
---|---|---|---|
温度 | PT100 | -60~300℃ | ±0.3℃ |
压力 | 绝压传感器 | 0~1100 kPa | ±0.25% |
压降 | 差压传感器 | 0~2 MPa | ±0.2% |
体积流量 | 椭圆齿轮流量计 | 5~100 L/h | ±0.5% |
电功率 | 功率计 | 0~150 W | ±0.5% |
模块 | 热导率/(W/(m·K)) | 热阻/(K/W) |
---|---|---|
冷端导热硅脂 | 2 | 8.3×10-3 |
热端导热硅脂 | 2 | 8.3×10-3 |
冷端陶瓷基板 | 22 | 0.012 |
热端陶瓷基板 | 22 | 0.012 |
焊接层 | 50 | 4.4×10-4 |
铜电极 | 397 | 2.5×10-4 |
热电半导体 | 1.57 | 0.85 |
接触热阻 | — | 0.12 |
表2 热电模块热阻
Table 2 Thermal resistance of thermoelectric module
模块 | 热导率/(W/(m·K)) | 热阻/(K/W) |
---|---|---|
冷端导热硅脂 | 2 | 8.3×10-3 |
热端导热硅脂 | 2 | 8.3×10-3 |
冷端陶瓷基板 | 22 | 0.012 |
热端陶瓷基板 | 22 | 0.012 |
焊接层 | 50 | 4.4×10-4 |
铜电极 | 397 | 2.5×10-4 |
热电半导体 | 1.57 | 0.85 |
接触热阻 | — | 0.12 |
1 | 贾子润, 王震坡, 王秋诗, 等. 新能源汽车动力电池热失控机理和安全风险管控方法的研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(11): 1689-1705. |
Jia Z R, Wang Z P, Wang Q S, et al. Research on thermal runaway mechanism and safety risk control method of power battery in new-energy vehicles[J]. Automotive Engineering, 2022, 44(11): 1689-1705. | |
2 | 国家发展改革委、国家能源局发布《“十四五”现代能源体系规划》[J]. 能源评论, 2022(4): 10. |
National Development and Reform Commission, National Energy Administration release the “14th Five-Year Plan” for modern energy system[J]. Energy Review, 2022(4): 10. | |
3 | 国务院办公厅. 新能源汽车产业发展规划(2021—2035年) [EB/OL]. 北京: 2020[2023-08-01]. . |
General Office of the State Council. Development plan of new energy vehicle industry (2021—2035)[EB/OL]. Beijing: 2020[2023-08-01]. . | |
4 | 周卓斌. 全球电动汽车销量强劲增长: 中国成为主要推动力[N]. 人民日报, 2023-03-01(17). |
Zhou Z B. Strong growth in global electric vehicle sales: China becomes the main driving force [N]. People's Daily, 2023-03-01(17). | |
5 | 孙金华. 动力电池安全研究进展[EB/OL]. 2022[2023-08-01]. . |
Sun J H. Research progress of power battery safety [EB/OL]. 2022[2023-08-01]. . | |
6 | 王芳, 王峥, 林春景, 等. 新能源汽车动力电池安全失效潜在原因分析[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(5): 1411-1418. |
Wang F, Wang Z, Lin C J, et al. Analysis on potential causes of safety failure of new energy vehicles[J]. Energy Storage Science and Technology, 2022, 11(5): 1411-1418. | |
7 | 王莉, 谢乐琼, 田光宇, 等. 锂离子电池安全事故: 安全性问题,还是可靠性问题[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(1): 1-6. |
Wang L, Xie L Q, Tian G Y, et al. Safety accidents of Li-ion batteries: reliability issues or safety issues[J]. Energy Storage Science and Technology, 2021, 10(1): 1-6. | |
8 | 冯旭宁. 车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控[D]. 北京: 清华大学, 2016. |
Feng X N. Mechanism, modeling, prevention and control of thermal runaway of automotive lithium-ion power battery[D]. Beijing: Tsinghua University, 2016. | |
9 | 罗明昀, 凌子夜, 方晓明, 等. 基于相变储热技术的电池热管理系统研究进展[J]. 化工进展, 2022, 41(3): 1594-1607. |
Luo M Y, Ling Z Y, Fang X M, et al. Research progress of battery thermal management system based on phase change heat storage technology[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2022, 41(3): 1594-1607. | |
10 | Longchamps R S, Yang X G, Wang C Y. Fundamental insights into battery thermal management and safety[J]. ACS Energy Letters, 2022, 7(3): 1103-1111. |
11 | 芮新宇, 冯旭宁, 韩雪冰, 等. 锂离子电池热失控蔓延问题研究综述[J]. 电池工业, 2020, 24(4): 193-201, 205. |
Rui X Y, Feng X N, Han X B, et al. Review on the thermal runaway propagation of lithium-ion batteries[J]. Chinese Battery Industry, 2020, 24(4): 193-201, 205. | |
12 | 李煌. 三元锂离子电池热失控传播及阻隔机制研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2020. |
Li H. Study on thermal runaway propagation and blocking mechanism of ternary lithium-ion battery[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2020. | |
13 | 金露, 谢鹏, 赵彦琦, 等. 基于相变材料的电动汽车电池热管理研究进展[J]. 材料导报, 2021, 35(21): 21113-21126. |
Jin L, Xie P, Zhao Y Q, et al. Research progress on phase change material based thermal management system of EV batteries[J]. Materials Reports, 2021, 35(21): 21113-21126. | |
14 | Xu J, Lan C J, Qiao Y, et al. Prevent thermal runaway of lithium-ion batteries with minichannel cooling[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 110: 883-890. |
15 | 仝义鑫. 基于相变材料和液体冷却的电池模组热失控传播过程研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2020. |
Tong Y X. Study on thermal runaway propagation process of battery module based on phase change material and liquid cooling[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2020. | |
16 | Zhang W C, Liang Z C, Yin X X, et al. Avoiding thermal runaway propagation of lithium-ion battery modules by using hybrid phase change material and liquid cooling[J]. Applied Thermal Engineering, 2021, 184: 116380. |
17 | Kshetrimayum K S, Yoon Y G, Gye H R, et al. Preventing heat propagation and thermal runaway in electric vehicle battery modules using integrated PCM and micro-channel plate cooling system[J]. Applied Thermal Engineering, 2019, 159: 113797. |
18 | 周剑文. 锂离子电池热失控建模与热蔓延抑制研究[D]. 济南: 山东大学, 2022. |
Zhou J W. Thermal runaway modeling and thermal spread suppression of lithium-ion batteries[D]. Jinan: Shandong University, 2022. | |
19 | Yang X L, Duan Y K, Feng X N, et al. An experimental study on preventing thermal runaway propagation in lithium-ion battery module using aerogel and liquid cooling plate together[J]. Fire Technology, 2020, 56(6): 2579-2602. |
20 | 董远夏, 张恒运, 朱佳俊, 等. 车用电池模组热蔓延防护结构的数值仿真研究[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(5): 1608-1616. |
Dong Y X, Zhang H Y, Zhu J J, et al. Numerical simulation study on thermal runaway propagation mitigation structure of automotive battery module[J]. Energy Storage Science and Technology, 2022, 11(5): 1608-1616. | |
21 | Rui X Y, Feng X N, Wang H W, et al. Synergistic effect of insulation and liquid cooling on mitigating the thermal runaway propagation in lithium-ion battery module[J]. Applied Thermal Engineering, 2021, 199: 117521. |
22 | Ma Y Z, Ma G Y, Zhang S, et al. Cooling performance of a pump-driven two phase cooling system for free cooling in data centers[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 95: 143-149. |
23 | Wei L T, Jia L, An Z J, et al. Experimental study on thermal management of cylindrical Li-ion battery with flexible microchannel plates[J]. Journal of Thermal Science, 2020, 29(4): 1001-1009. |
24 | 辜云东. 以蒸馏水为工质的泵驱两相流动换热系统的数值模拟和实验研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2021. |
Gu Y D. Numerical simulation and experimental study of pump-driven two-phase flow heat transfer system with water as working fluid[D]. Chongqing: Chongqing University 2021. | |
25 | Zhang P L, Li X T, Shi W X, et al. Experimentally comparative study on two-phase natural and pump-driven loop used in HVAC systems[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 142: 321-333. |
26 | 陶建云. 泵驱两相流回路系统的热动态特性研究[D]. 南京: 东南大学, 2020. |
Tao J Y. Study on thermal dynamic characteristics of pump-driven two-phase flow loop system[D]. Nanjing: Southeast University, 2020. | |
27 | Xu D, Fang Y D, Hu L R, et al. Experimental investigation on thermal performance of a pumped two-phase battery cooling system using mini-channel cold plate[J]. International Journal of Energy Research, 2021, 45(11): 16078-16090. |
28 | 林郁聪. 基于氟泵增压的复合空调系统实验研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2020. |
Lin Y C. Experimental study on compound air conditioning system based on fluorine pump pressurization[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2020. | |
29 | 王绚, 马国远, 周峰. 泵驱动两相冷却系统性能优化与变工质特性研究[J]. 制冷学报, 2018, 39(4): 89-98. |
Wang X, Ma G Y, Zhou F. Performance optimization and characteristics of different refrigerants for pump-driven two-phase cooling system[J]. Journal of Refrigeration, 2018, 39(4): 89-98. | |
30 | 罗丁. 汽车温差发电系统的多物理场耦合机理及瞬态响应特性研究[D]. 镇江: 江苏大学, 2022. |
Luo D. Study on coupling mechanism of multiple physical fields and transient response characteristics of automobile thermoelectric power generation system[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2022. |
[1] | 杨欣, 王文, 徐凯, 马凡华. 高压氢气加注过程中温度特征仿真分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 280-286. |
[2] | 常明慧, 王林, 苑佳佳, 曹艺飞. 盐溶液蓄能型热泵循环特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 329-337. |
[3] | 张化福, 童莉葛, 张振涛, 杨俊玲, 王立, 张俊浩. 机械蒸汽压缩蒸发技术研究现状与发展趋势[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 8-24. |
[4] | 胡建波, 刘洪超, 胡齐, 黄美英, 宋先雨, 赵双良. 有机笼跨细胞膜易位行为的分子动力学模拟研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3756-3765. |
[5] | 张曼铮, 肖猛, 闫沛伟, 苗政, 徐进良, 纪献兵. 危废焚烧处理耦合有机朗肯循环系统工质筛选与热力学优化[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3502-3512. |
[6] | 卫雪岩, 钱勇. 微米级铁粉燃料中低温氧化反应特性及其动力学研究[J]. 化工学报, 2023, 74(6): 2624-2638. |
[7] | 姚晓宇, 沈俊, 李健, 李振兴, 康慧芳, 唐博, 董学强, 公茂琼. 流体气液临界参数测量方法研究进展[J]. 化工学报, 2023, 74(5): 1847-1861. |
[8] | 陈科, 杜理, 曾英, 任思颖, 于旭东. 四元体系LiCl+MgCl2+CaCl2+H2O 323.2 K相平衡研究及计算[J]. 化工学报, 2023, 74(5): 1896-1903. |
[9] | 毛元敬, 杨智, 莫松平, 郭浩, 陈颖, 罗向龙, 陈健勇, 梁颖宗. C6~C10烷醇的SAFT-VR Mie状态方程参数回归及其热物性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(3): 1033-1041. |
[10] | 程文婷, 李杰, 徐丽, 程芳琴, 刘国际. AlCl3·6H2O在FeCl3、CaCl2、KCl及KCl–FeCl3溶液中溶解度的实验及预测[J]. 化工学报, 2023, 74(2): 642-652. |
[11] | 杜江龙, 杨雯棋, 黄凯, 练成, 刘洪来. 复合相变材料/空冷复合式锂离子电池模块散热性能[J]. 化工学报, 2023, 74(2): 674-689. |
[12] | 周昉, 刘剑, 张小松. 基于多参数评估原则筛选高温热泵用三元非共沸混合工质[J]. 化工学报, 2023, 74(11): 4487-4500. |
[13] | 洪小东, 董轩, 林美金, 廖祖维, 任聪静, 杨遥, 蒋斌波, 王靖岱, 阳永荣. 图神经网络预测烃类工质的热力学性质[J]. 化工学报, 2023, 74(11): 4466-4474. |
[14] | 刘宗鹏, 胡少剑, 张宇宁, 马玲, 李磊, 武本成, 朱建华. 复合型多元醇酯合成反应的热力学分析及动力学研究[J]. 化工学报, 2023, 74(11): 4475-4486. |
[15] | 郑直, 郭乃胜, 尤占平, 王家伟. 废木油与石油沥青相容机制的分子动力学研究[J]. 化工学报, 2023, 74(10): 4037-4050. |
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