NEC锂电池在高功率循环充放电下的低能耗热管理系统

电池热管理系统（BTMS）在提升新能源车辆的安全性和性能方面发挥着重要作用。本研究提出了高功率循环充放电下的低能耗BTMS。BTMS与相变材料（PCM）和风冷结合。由“PCM + 鳍片+铜柱”组成的冷板结合了高效储热和快速散热的双重特性，使锂电池能够在高温高功率下实现多次充放电循环。不同冷板结构间传热性能的比较表明，X形散热片与铜柱的结合显著提升了空气冷却散热效率。PCM可以实现更好的熔融均匀性。随后研究了PCM不同物理性质和冷板结构参数如何影响结构热传递特性。PCM的熔点显著影响电池温度。当选定PCM的熔点为42°C时，该结构具有最佳的散热效果。增加PCM体积、冷板板厚度、散片数量、散片肋条厚度或铜柱直径，可以提升系统的散热性能和温控稳定性。经过多次充放电循环后，单节电池最高温度为44.73°C，最大温差为2.25°C，为设计锂BTMS在长距离连续高速行驶条件下提供了方法支持。
能源困境和生态污染的双重挑战使得新能源车的发展成为唯一的选择。在当前新能源车领域，锂离子电池因其高能量密度和长周期寿命的优势，已成为主流电池技术解决方案[[1]， [2]， [3]， [4]、[5]]。然而，锂电池的性能和安全性对温度变化极为敏感。高电池温度会大幅缩短其使用寿命，严重情况下还可能引发火灾或爆炸等事故[[6]， [7]， [8]]。此外，过低温度会削弱电池容量，并大幅降低性能[[9]， [10]， [11]]。温度稳定性是提升锂电池安全性和可靠性的主要指标。锂电池的最佳工作温度范围为20–50°C，最大温差必须控制在5°C以下[12]。因此，设计高效的锂电池热管理结构至关重要，以确保新能源车辆的安全运行。
电池热管理系统（BTMS）中使用的冷却方法主要包括风冷、液冷、相变材料冷却（PCM）、热管冷却以及这些冷却方法的组合[13]。由于结构简单、成本低且维护简便，风冷在早期电池热管理系统（BTMS）中已被一定程度应用[14]。然而，其相对较低的散热效率限制了其在高功率电池组极端工作条件下的效能[[15]， [16]， [17]]。与风冷相比，液冷具有显著更好的热性能，能够更高效地散热。然而，液冷系统往往更为复杂 [[18]， [19]， [20]]。相比之下，基于相变材料（PCM）的冷却系统相比主动冷却方法（如空气或液冷）具有多项优势，包括零能耗、结构简单以及卓越的温度均匀性[[21]， [22]， [23]]。PCM是一种具有高潜热价值的储能材料。一旦温度达到特定相变温度，会发生相变以吸收或释放大量潜热[24]。当PCM应用于BTMS时，其低热导率成为热传导率提升的障碍[25]。如果PCM无法及时传导热量，电池温度会持续上升，从而对电池性能产生负面影响。因此，研究人员进行了大量研究以提升PCMs的热导率。他等人成功构建了一种新型复合PCM，使用膨胀石墨、泡沫铜和石蜡[26]。采用这种复合材料，电池组最高温度可控制在48°C，循环充放电测试中最大温差在3.9°C以内。除了向PCMs添加高导热材料外，PCM的传热率还可以通过独特的结构设计[27]得到提升。Shen等人利用蜘蛛网状的鳍构建了PCM BTMS，并研究了其在8摄氏度高放电率下的热性能[28]。在优化散热片的结构参数（距离、厚度、宽度）后，系统可将电池组最高温度从57.7°C降至42.1°C，降低27.1%。 Zare 等人结合了内外翼，在电池表面周围创建了 PCM 筒仓[13]。与无散热片的PCM冷却系统相比，BTMS配备4个内外散热片，在3摄氏度和5摄氏度的放电速率下，电池表面温度分别降低了9.90和17.45°C。即使在35°C的高环境温度下，电池表面温度仍可维持在最佳45°C。 作为一种被动冷却策略，基于PCM的冷却具有相对较低的热导率和传热效率的固有限制。然而，当PCM与主动冷却方法结合时，这一缺点可以被有效缓解。
在提升PCM内部传热效率并充分利用潜热性能后，应及时传递内部热量，防止PCM完全熔毁并失去温度控制性能。通过结合PCM与其他冷却方法构建的复合热管理结构正逐渐发展成为当前研究领域的热门话题和关键探索方向。Xu等人[29]提出了一种多功能的2C速率放电热管理系统，创新地集成了仿生鳍片、相变材料（PCM）和薄膜加热器，实现了冷却和预热功能。Ahmad 等人[30]通过在 PCM 内部嵌入散热片，将 PCM 与强制空气冷却结合，并通过数值模拟研究系统的热性能。Qin 等人[31]开发了一种新型混合电池热管理系统，用于4C速率放电，将强制空气对流与PCM结合。然而，在将PCM与风冷结合的BTMS中，空气冷却中低散热效率的固有限制使得在高速率充放电条件下难以维持足够的冷却性能。为了进一步提升此类系统的效能，PCM与风冷之间的耦合策略必须经过严格优化。
本研究提出了一种新型电池热管理系统（BTMS），将相变材料（PCM）与风冷结合，采用“PCM + 鳍片 + 铜柱”的协同配置。这一集成设计显著提升了空气冷却的散热效率，并有效解决了传统PCM-空气混合系统常因冷却性能不足而存在的局限性。该系统结合了高效的潜热储存和快速散热能力。在高速充放电循环下，系统性研究关键结构参数对电池最大温度和温度均匀性的影响。该架构为未来高功率电池应用中的热管理提供了实用且节能的解决方案。