化工学报 ›› 2025, Vol. 76 ›› Issue (6): 2652-2666.DOI: 10.11949/0438-1157.20241105
朱先宇1(), 孙钱行1, 周守军1, 田永生1,2(
), 孙钦鹏2
收稿日期:
2024-10-07
修回日期:
2024-11-26
出版日期:
2025-06-25
发布日期:
2025-07-09
通讯作者:
田永生
作者简介:
朱先宇(1999—),男,硕士研究生,2022035203@stu.sdjzu.edu.cn
基金资助:
Xianyu ZHU1(), Qianxing SUN1, Shoujun ZHOU1, Yongsheng TIAN1,2(
), Qinpeng SUN2
Received:
2024-10-07
Revised:
2024-11-26
Online:
2025-06-25
Published:
2025-07-09
Contact:
Yongsheng TIAN
摘要:
温度是影响电池寿命、能量转换效率和安全性的重要因素之一,高效的电池热管理系统(battery thermal management system,BTMS)能够有效控制电池充放电的温度和均温性。选择石蜡-膨胀石墨复合相变材料(composite phase change material,CPCM)与工质为丙酮混合物的微槽平板热管(flat heat pipe,FHP)结合,建立了一个复合热管理实验系统,通过改变热管理方式,对该热管理系统性能进行实验研究。结果表明,在低放电倍率(1C)下,相较无热管理的自然对流,3 m/s风速的风冷能够将电池最高温度降低19.42%,温控效果最好;而低发热量下相变材料未能达到熔化温度,但与平板热管耦合后也能实现最高温度下降12.55%。在较高放电倍率5C时,电池很快达到相变材料的熔化温度,最高温度降低32.10%,而风冷散热降低20.39%,相变吸热呈现显著优势,且电池间最大温差也始终维持在5℃以内,满足均温性要求。
中图分类号:
朱先宇, 孙钱行, 周守军, 田永生, 孙钦鹏. 复合相变材料耦合微槽平板热管的电池热管理实验研究[J]. 化工学报, 2025, 76(6): 2652-2666.
Xianyu ZHU, Qianxing SUN, Shoujun ZHOU, Yongsheng TIAN, Qinpeng SUN. Experimental study on battery thermal management of composite phase change materials coupled with micro grooves flat heat pipes[J]. CIESC Journal, 2025, 76(6): 2652-2666.
项目 | 规格 |
---|---|
电池类型 | 三元锂离子电池 |
标称容量 | 50 Ah |
内阻 | 0.8 mΩ |
最大充电电流 | 1 C(连续) |
最大放电电流 | 5 C(连续) |
电池尺寸 | 148 mm×27 mm×92 mm |
表1 锂离子电池参数
Table 1 Parameters of lithium-ion batteries
项目 | 规格 |
---|---|
电池类型 | 三元锂离子电池 |
标称容量 | 50 Ah |
内阻 | 0.8 mΩ |
最大充电电流 | 1 C(连续) |
最大放电电流 | 5 C(连续) |
电池尺寸 | 148 mm×27 mm×92 mm |
放电倍率 | 缓慢上升/平坦期 | 快速上升期 | ||
---|---|---|---|---|
时间/s | 功率/电压 | 时间/s | 功率/电压 | |
0.5C | 0~4800 | 0.4 W/ 11.36 V | 4800~7200 | 1.9 W/ 25 V |
1C | 0~2400 | 1.4 W/ 21.25 V | 2400~3600 | 5 W/ 40 V |
2C | 0~1200 | 6.2 W/ 44.73 V | 1200~1800 | 11.2 W/ 60 V |
3C | — | — | 0~1200 | 14.5 W/ 68.4 V |
4C | — | — | 0~900 | 26.3 W/ 92.12 V |
5C | — | — | 0~720 | 41.5 W/ 115.72 V |
表2 电加热棒功率和电压
Table 2 Power and voltage of the electric heating rod
放电倍率 | 缓慢上升/平坦期 | 快速上升期 | ||
---|---|---|---|---|
时间/s | 功率/电压 | 时间/s | 功率/电压 | |
0.5C | 0~4800 | 0.4 W/ 11.36 V | 4800~7200 | 1.9 W/ 25 V |
1C | 0~2400 | 1.4 W/ 21.25 V | 2400~3600 | 5 W/ 40 V |
2C | 0~1200 | 6.2 W/ 44.73 V | 1200~1800 | 11.2 W/ 60 V |
3C | — | — | 0~1200 | 14.5 W/ 68.4 V |
4C | — | — | 0~900 | 26.3 W/ 92.12 V |
5C | — | — | 0~720 | 41.5 W/ 115.72 V |
测试项目 | 参数 |
---|---|
工质 | 丙酮混合物 |
密度/(kg/m3) | 852 |
热导率/(W/(m·K)) | 0.4795 |
热扩散率/(mm2/s) | 2.352 |
比热容/(J/(kg·K)) | 2409.62 |
蒸发温度/℃ | 43 |
管内充液率/% | 25 |
表3 FHP工质的热物性参数
Table 3 Thermal physical property parameters of FHP working medium
测试项目 | 参数 |
---|---|
工质 | 丙酮混合物 |
密度/(kg/m3) | 852 |
热导率/(W/(m·K)) | 0.4795 |
热扩散率/(mm2/s) | 2.352 |
比热容/(J/(kg·K)) | 2409.62 |
蒸发温度/℃ | 43 |
管内充液率/% | 25 |
测试项目 | 石蜡/膨胀石墨的参数 |
---|---|
密度/(kg/m3) | 1016 |
热导率/(W/(m·K)) | 4.13 |
热扩散率/(mm2/s) | 0.547 |
比热容/(J/(kg·K)) | 2053 |
相变潜热/(J/g) | 156.03 |
相变温度/℃ | 38.14~42.84 |
尺寸/ mm×mm×mm | 70×50×27 |
表4 CPCM的热物性和尺寸参数
Table 4 Thermal physical property and size parameters of CPCM
测试项目 | 石蜡/膨胀石墨的参数 |
---|---|
密度/(kg/m3) | 1016 |
热导率/(W/(m·K)) | 4.13 |
热扩散率/(mm2/s) | 0.547 |
比热容/(J/(kg·K)) | 2053 |
相变潜热/(J/g) | 156.03 |
相变温度/℃ | 38.14~42.84 |
尺寸/ mm×mm×mm | 70×50×27 |
名称 | 项目 | 参数 |
---|---|---|
实验箱 | 箱体尺寸 | 480 mm×300 mm×120(3) mm |
风道尺寸 | 120 mm×120 mm | |
轴流风机 | 型号 | 德力西G12038HA2 |
尺寸 | 120 mm×120 mm×38 mm | |
额定电压 | 220 V | |
额定功率 | 16 W | |
最大风量 | 93 CFM | |
直流稳压电源 | 型号 | 迈胜MP2205D |
输出电压 | 0~220 V | |
输出电流 | 0~5 A | |
精度 | ± 0.1% | |
温度数据采集仪 | 型号 | Fluke 2638A/60 |
测温量程 | -270~400℃ (T型) | |
准确度 | ± 0.15℃ (T型) | |
T型热电偶 | 测量范围 | -200~350℃ |
精度 | ± 0.5℃ |
表5 实验设备参数
Table 5 Parameters of the experimental equipment
名称 | 项目 | 参数 |
---|---|---|
实验箱 | 箱体尺寸 | 480 mm×300 mm×120(3) mm |
风道尺寸 | 120 mm×120 mm | |
轴流风机 | 型号 | 德力西G12038HA2 |
尺寸 | 120 mm×120 mm×38 mm | |
额定电压 | 220 V | |
额定功率 | 16 W | |
最大风量 | 93 CFM | |
直流稳压电源 | 型号 | 迈胜MP2205D |
输出电压 | 0~220 V | |
输出电流 | 0~5 A | |
精度 | ± 0.1% | |
温度数据采集仪 | 型号 | Fluke 2638A/60 |
测温量程 | -270~400℃ (T型) | |
准确度 | ± 0.15℃ (T型) | |
T型热电偶 | 测量范围 | -200~350℃ |
精度 | ± 0.5℃ |
工况 | 简称 | 描述 |
---|---|---|
自然对流 | NC | 模拟电池放置在实验箱中,电池间距5 mm放置,仅通过空气自然对流散热 |
强制风冷 | FC | 模拟电池放置在实验箱风道中,电池间距5 mm放置,开启风机,电池受到3 m/s的强制对流 |
热管自然冷却 | FHP-NC | 模拟电池放置在实验箱中,两侧与热管蒸发段接触,设置隔离板隔绝风道和箱内空间,减少外部环境的影响,热管冷凝段穿过隔离板在风道中自然对流散热 |
热管强制风冷 | FHP-FC | 类比热管自然冷却,开启风机,热管冷凝段在风道中受到3 m/s的强制对流 |
相变材料-热管冷却 | CPCM-FHP | 类比热管自然冷却,在热管冷凝段间填装相变材料 |
表6 实验工况描述
Table 6 Description of experimental conditions
工况 | 简称 | 描述 |
---|---|---|
自然对流 | NC | 模拟电池放置在实验箱中,电池间距5 mm放置,仅通过空气自然对流散热 |
强制风冷 | FC | 模拟电池放置在实验箱风道中,电池间距5 mm放置,开启风机,电池受到3 m/s的强制对流 |
热管自然冷却 | FHP-NC | 模拟电池放置在实验箱中,两侧与热管蒸发段接触,设置隔离板隔绝风道和箱内空间,减少外部环境的影响,热管冷凝段穿过隔离板在风道中自然对流散热 |
热管强制风冷 | FHP-FC | 类比热管自然冷却,开启风机,热管冷凝段在风道中受到3 m/s的强制对流 |
相变材料-热管冷却 | CPCM-FHP | 类比热管自然冷却,在热管冷凝段间填装相变材料 |
参数 | 测量仪器 | 误差 |
---|---|---|
模拟电池的表面温度 | T型热电偶、温度数据采集仪 | ±0.522℃ |
CPCM表面温度 | T型热电偶、温度数据采集仪 | ±0.522℃ |
电加热棒控制电压 | 直流稳压电源 | ±0.22 V |
表7 实验误差分析
Table 7 Experimental error analysis
参数 | 测量仪器 | 误差 |
---|---|---|
模拟电池的表面温度 | T型热电偶、温度数据采集仪 | ±0.522℃ |
CPCM表面温度 | T型热电偶、温度数据采集仪 | ±0.522℃ |
电加热棒控制电压 | 直流稳压电源 | ±0.22 V |
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