石蜡管蓄电池模块的被动热管理实验研究

工程科学与技术，国际期刊29（2022）101031完整文章充石蜡管蓄电池模块被动热管理的实验研究Alexander Christantho BUDIMANESTA，Sunarto KALEG，SUDIRJA，AMIN，Abdul HAPID印度尼西亚科学院电力和机电一体化研究中心（LIPI）。Kompleks LIPI Gedung 20，Jalan Sangkuriang，万隆40135，印度尼西亚阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年2月9日收到2021年4月30日修订2021年6月18日接受在线预订2021年保留字：电池模块电池热管理系统电动汽车散热相变材料A B S T R A C T本文对石蜡填充碳管作为相变材料在电动汽车电池模块中的应用进行了实验研究。三个不同的地方，这种管之间的20个18650电池提出和评估的基础上测量的温度分布在模块内的放电率为1，2，和4 C（50，100，和200A，分别）。一般来说，所有三种配置的平均温度分别为1 ℃和2 ℃时不超过40 ℃和55 ℃。相比之下，4C放电测试表明，这三种配置中只有两种仍然可以保持低于70 °C的可接受的温度分布。第一种配置提供了三种配置中最简单的设计，不能承受任何高于1C的恒定放电速率。在这种情况下，可以推荐如在第三配置中那样在电池模块中具有PCM管的展开布置，以防止电池单元周围的耗散热的扩散，尽管可能有更复杂的布线系统和安装。就温度均匀度而言，所有三种配置的最小值都在0.60©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍电动汽车（EV）因其有可能成为未来主流交通方式而受到广泛关注。为了减少由于排放以及对化石燃料本身的依赖而导致的全球变暖，运输部门需要更多的环保车辆，如电动汽车，以取代常用的基于内燃机的车辆[1，2]。然而，目前普通电池EV的市场价格受到电池单元的高生产成本的显著影响[3]。更高的购买价格、更长的充电时间以及由于携带过多电池单元而导致的额外重量导致的性能下降将是客户最重大的挫折[4]。因此，已经实施了许多研究和创新，以提高其效率，从而降低EV的整体市场价格电动汽车电池使用的最大问题之一是其能量容量和性能。可充电锂基电池由于其高能量密度而越来越受欢迎，尽管它们的性能受到操作的显著影响*通讯作者。电子邮件地址：alex002@lipi.go.id（A.C.BUDIMAN）。由Karabuk大学负责进行同行审查温度[5]。当电池释放电流时，它也会将大量的热量散发到周围环境中[6，7]。还已知的是，当这种锂离子电池单元在高于40 °C的温度下操作时，其放电效率将开始显著下降。在极端情况下，不受控制的散热可能导致热失控，这是非常不希望的，因为它会在几秒钟内着火并严重损坏电池[8-10]。因此，已经开发了各种控制和稳定电池周围温度的方法。许多EV电池温度调节方法或所谓的电池热管理系统（BTMS）可以分为所谓的主动、被动和混合冷却，混合冷却结合了前两种方法[11主动方法依赖于外部耗电设备，例如，风扇或泵来循环空气、水或其他冷却剂。相比之下，被动方法基于自然热传递，例如使用用于空气冷却的翅片、热管或相变材料（PCM）作为吸热器[14不同类型的PCM已被数值或实验研究用于各种工程应用，例如蜂蜡[17]、石蜡[18，19]、棕榈油[20]以及盐水合物[21]。这种被动方法通常在简单性、成本和安全性方面提供若干优点，例如避免冷却剂泄漏。另一方面，热管系统还https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.06.0112215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchAlexander Christantho Budiman，S. KALEG，SUDIRJA等.工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010312×命名法C-rate discharge rates，CT; Temp.Temperature，oC缩写t时间，sV; Volt.电压v下标熔融/相变BTMSDSCEVPCMPLA电池热管理系统差示扫描量热法电动汽车相变材料聚乳酸最大范数最近作为另一种类型的相变装置获得了相当大的兴趣，但其复杂性和高成本不容忽视[22]。同时，混合冷却，例如在PCM复合材料上使用强制空气或热管，主要用于极端条件下，其中单独的主动或被动方法都不足以保护电池[12，15，23大多数用于EV应用的PCM具有相对较低的热导率和有限的潜热量的限制[2]。已经报道了各种方法来增强传热，例如将其与金属泡沫或添加剂[11，28]、膨胀石墨[7，29-通常，这些方法还解决了结构完整性，同时提供足够的保护以防止PCM在其熔化阶段期间泄漏然而，上述这些方法通常需要复杂且昂贵的过程。其次，考虑到PCM均匀分布在基质上，但每个单元之间的传热量不同，可能会形成局部热不均匀性[28，34]。存在这样的趋势，即在中心处的电池单元将具有比其相邻单元稍微更热的表面最后，即使发现PCM的最轻微泄漏，通常也需要更换整个模块;因此，另一个昂贵且复杂的维修过程可能是不可避免的。本文对一种采用石蜡管的电动汽车电池模块的被动式电池热管理系统进行除了其优越的潜热容量和熔点之外，在本研究中选择石蜡是因为其无毒和非爆炸特性之外的经济价值，特别是当考虑到PCM泄漏时车辆的安全系数时[35]。此外，尽管先前已经报道了关于PCM用于BTMS的几个评估，但上述大多数工作都将PCM存储在电池模块矩阵盒中，而不是存放在类似于本工作中使用的18650电池单元的尽管在基质中存在PCM在传热性能方面无疑会更好，但在这项工作中使用容器在其制备、维护和在需要时改变其位置方面当基于EV操作要求找到正确数量的管时，还预期当前电池模块将显著轻于任何PCM矩阵模块。管的适当放置可以防止局部热不均匀性，这可能是PCM嵌入基质中的问题。提出了三种不同的结构，并比较和分析了每种结构中相变材料对模块内部温度分布的影响所有配置都允许通过将其与风扇组合以形成混合BTMS冷却方法来2. 材料和方法实验装置的示意图如图1所示。电池模块由20个锂离子18650电池和10个石蜡填充管组成，如图1（a-c）所示。管由碳纤维制成，以增强对石蜡的热传递，石蜡以其相对较低的导热率而闻名[36]。为了便于在本手稿中参考，这些排列分别被代号为配置A、B和C。配置A是通过将管布置成两列，每列五个管而制成的。这种配置是PCM填充管的基本布置，可简化电池组装和PCM更换（如需要）。例如，在泄漏的情况下或者如果需要测试管内的不同类型的PCM，则这种设计允许PCM管容易地从电池模块隔室的侧面移除，而无需移除电池连接器。通过考虑周围的壁，这种柱也可以被视为将电池单元分成两组的热障。假设这两个基团之间的热相互作用是最小的，即，一组的散热对另一组没有重大影响。此外，第一列还可以在以后用于表明使用PCM填充的管仍然可以比仅依靠通过气隙的自然对流的散热更有效。同时，通过从任何PCM管中排除第3行并将管和电池布置成不均匀形状来设置配置B。这些管在模块的中间，即在列3至5中局部地放在一起，使得每组五个可以充当整体热吸收器。同样，如果需要的话，这种块特征提供了从隔室侧容易地维护或移除管，如在配置A中。最后，通过展开管来设置配置C，使得PCM恒定地围绕中间的电池单元。先前的初步尝试表明，3个电池单元彼此相邻的配置将产生散热集中[37]，因此将需要PCM管或类似的热障来保持模块中电池之间的热均匀性。与没有任何PCM管的配置相比，对于具有PCM的配置使用最多七个柱，将分别意味着体积和质量的最大增加75%和16.7%。为了方便改变管和电池的布置，模块舱本身总共由35个支架（固定的）组成，因此在任何建议的配置中都有五个未使用的插槽。未来，空支架可以填充更多的PCM管，相对于电池模块的额外重量，它们的热效益需要进一步研究。本研究中使用的18650个电池单元中的每一个都具有质量放电标称容量分别为45 g和2500 mAh-Alexander Christantho Budiman，S. KALEG，SUDIRJA等.工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010313图1.一、（a-c）如从顶部看到的PCM管和电池的三种不同配置，分别代号为配置A、B和C，所述电池模块被插入电池模块隔室中;（d）基于差示扫描量热法（DSC）的在本研究中使用的作为PCM的石蜡的热特性;（e）整个实验装置的示意图。很好它们都并联连接，形成最大容量为50，000 mAh的电池模块，并在每次放电运行前完全充电至4.2 V，如制造商所建议的本研究中使用的18650电池的技术细节见表1。同时，所用的工业级石蜡具有渐进的差示扫描量热法（DSC）曲线，其双峰熔融温度Tm在50.6 °和63.6 °C，如图所示。 1（d），并在表2中列出。将石蜡插入外径为18 mm、高度为65 mm的圆柱形容器中每个管的总质量约为15 g，由7 g石蜡组成。然后用自制的PLA帽和环氧树脂密封管，以防止相变期间的任何泄漏。表1本研究中使用的18650电池的产品规格参数值型号/产品代码INR 18650 - 25 R电池尺寸（mm）64.85 ± 0.15（高度）; 18.33 ± 0.07（直径）重量（g）45表2本研究中使用的石蜡的性质。参数值体积密度（g/cm3）0.8熔化潜热（J/g）173峰值熔融温度（oC）63.6为了监测整个实验过程中的温度曲线，将20个DS18B20温度传感器连接到每个电池单元的正极侧，其中可能发生最大散热[38-41]。这种单线数字传感器的精度在实验温度范围内为± 0.5 °C。每个传感器都连接到Arduino Mega，该Arduino Mega连接到PC作为数据记录器系统，如图1（e）所示。每次运行的最佳采样时间设定为4 s。一个INA219数字电压传感器也连接到模块和数据记录器，以监测电池模块电压。电池模块还连接到具有1、2和4 C的预设C率的可调电阻性假负载。这种C率被定义为相对于其标称容量的充电或放电电流的量度。由于本研究中的电池模块的最大容量为50 Ah，因此这些预设的C速率对应于放电电流分别为50、100和200 A在每个标称放电容量（mAh）2500运行时，初始室温应在24- 30 ℃的范围内最大内部阻抗（mX）18充电截止电压（V）4.20 ± 0.05（CC-CV）标称电压（V）3.6最大连续放电20 A; 250次循环时60%截止放电电压（V）2.528 °C;否则实验将被取消。 出于安全和电池生命周期考虑，一旦模块电压达到2.75 V或任何电池中检测到的温度超过75 °C阈值，每次运行将停止。Alexander Christantho Budiman，S. KALEG，SUDIRJA等.工程科学与技术，国际期刊29（2022）10103143. 结果和讨论描述了放电过程中平均温度随被测器件电压的变化在图2中。总体而言，可以看出，所有曲线图都具有余切样趋势，这与Smith和Wang[42]报告的锂基电池组电池电压随时间下降的特征相似。 当电压在3.6- 3.8V的范围内时出现第一拐点，这对应于锂离子电池在相对稳定的条件下大部分操作的标称电压。由于最大放电周期发生在该标称电压内，因此模块温度稳定升高。从曲线图中还发现，当放电速率增加时，第一拐点出现在稍低的电压中，尽管它出现在三种配置中相对相似的温度下。另一方面，标称范围内的电压降的斜率和第二拐点的出现略有不同。在较低的排放速率下，斜率相对较陡，表明在该排放期间的大部分时间内只有很小的温度增量。当放电速率从1增加到4C时，图二.分别针对（a）配置A、（b）配置B和（c）配置C的电池模块的电压降绘制在1、2和4 C的放电速率下的平均温度变化。细虚线表示95%置信区间的上限。斜率变得更加平缓，这意味着温度在放电期间大大升高。在放电速率为1C时，所有结构均能保持平均温度低于40 °C。然而，在较高的放电速率下，三种配置之间的末端温度是不同的。对于2 C放电，配置A中的平均温度达到约45 °C。相比之下，对于4 C放电，一个或两个温度传感器已经达到切割温度。关闭温度，因此应中止测量。这也发生在我们的重复性测试期间，因此可以得出结论，配置A不能有效地操作，直到模块在4 C或更高的放电速率下达到其2.75 V的截止电压，而不超过最大温度阈值。平均温度图的95%置信区间也绘制在图中。 2在破碎的线。这些线表示在相应的放电电流下发生的潜在热失控，即当温度由于电池单元的散热不良而不可控制地增加时例如，在配置A（图2（a））中，当模块在4 C放电下运行时，发生这种情况的风险极高作为吸热器的PCM填充管的局部定位不足以有效地吸收耗散的热量并防止其使周围的另一方面，1和2 C放电率的置信区间线上限分别接近40° C和63°C后一个值意味着，尽管配置仍然是可容忍的，但其效率会降低。因此，可以得出结论，对于该配置A，尽管其设计和布线工艺简单，但其不能用于高放电速率。对于EV中的直接应用，这种配置可能仅适用于相对较低且稳定的速度，例如电动踏板车，其很少需要高加速度或速度。相比之下，如配置B中的非常规放置或如配置C中的分散放置两者确保耗散的热量将去往PCM管而不是其它电池单元，因此在模块内部保持更均匀的温度分布这些配置的置信区间图表明最高温度不超过55 °C，这仍然远远低于锂离子工作温度的安全限值。由于在图A中将PCM管放置在两个列中，因此也可以基于每个列来评估平均温度分布，如图3所示。PCM管在中间的放置（第4列）将该区域分成两个相同的布置，除了第4列中1. 这是为了评估或比较模块中PCM管的效果而特意设计的假设热量从每个圆柱形单元均匀地耗散到其所有周围环境，可以看出，直接靠近柱7中的PCM管的柱6相比之下，从柱2和3耗散的热除了柱4中的PCM之外在附近没有热吸收器，其在技术上也用作来自柱5和6的热吸收器。随着排放速率的增加，柱5和6与柱2和3之间的温度差变得更加显著在测量结束时，对于1、2和4 C速率，最大温差分别约为±4°、19°和32°C首先，因此可以得出结论，在列7中存在PCM填充的管，尽管石蜡本身的热膨胀性相对较低，但仍然可以提供电池组电池的更好的温度稳定性，而不是如列1中没有PCM的条件第二，由于配置A不能在不损失其效率的情况下承受更高的排放速率，所以第1列中的五个空槽给出了增加更多的选择。Alexander Christantho Budiman，S. KALEG，SUDIRJA等.工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010315图三.对于（a）1 C、（b）2 C和（c）4 C的排放速率，PCM填充管。对于在具有二十个电池单元的模块中具有十个以上管的这种配置的热评估将被保留用于未来的工作。图 4-6显示归一化平均温度分布在本研究中，对于三种不同的排放率，每一排的T均每个图都与其各自的见图4。分别针对（a）配置A、（b）配置B和（c）配置C，在1C放电下的归一化温度图与以灰色叠加的归一化模块电压图T-T最小值归一化电压V，以灰色绘制。正常的Tnorm0d¼Tmax-Tmin1标准的化温度和电压定义在方程中。（1-2）。Alexander Christantho Budiman，S. KALEG，SUDIRJA等.工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010316-min图五. 2 C放电下的归一化温度图，其中归一化模块电压图分别以灰色叠加（a）配置A、（b）配置B和（c）配置C。见图6。4 C放电条件下的标准化温度图，以及分别针对（a）配置A、（b）配置B和（c）配置C叠加的灰色标准化模块电压图。V VVnorm0d¼Vmax-Vmin±200其中T和V是给定时间的相应温度和电压。Vmax是最大电池模块电压，即实验开始时的充满电状态在Alexander Christantho Budiman，S. KALEG，SUDIRJA等.工程科学与技术，国际期刊29（2022）1010317表3在三种不同放电速率下，所有三种配置运行结束时的温度均匀度值。配置A配置B配置C1 C0.710.770.712 C0.660.780.734 C0.600.790.74运行结束时，温度将达到其最大Tmax，电压将处于最小截止电压Vmin= 2.75 V。在某些情况下，V范数当Tmax达到其最大截止温度时终止运行时，可以发现这一点标准化的温度曲线可用于确定每行之间的温度均匀性程度，其中最大值1表示比较中的行具有完全相同的温度分布的条件。均匀性程度成为评估EV组件（尤其是电池）热分布的重要因素，因为热不平衡可能导致里程缩短、放电性能降低以及长期电池寿命缩短[43，44]。 表3给出了最小均匀度，这是图1和图2所示的归一化温度的最小值。 4 -6在放电结束时。它表明，配置B具有最高的总价值的所有放电率，0.79.另一方面，如果忽略来自配置C中的第五行的异常，则所有放电率的均匀度将为约0.88。未对准可能导致散热方向的不规则性，即，热量倾向于不均匀地向第一排扩散，导致最后一排的平均温度较低。当可以解决这种对准的不完美性时，可以预期在配置C中发现最高程度的均匀性，其中PCM管在电池模块内很好地分散。配置A随着放电速率的增加产生较低程度的均匀性，即从1C时的0.71增加到4C时的0.60。相比之下，配置B和C在较高的放电率下显示出增加的趋势。该结果表明，配置A将具有更稳定的温度分布，因此更适合于较低的放电电流，而配置B和配置B将具有更稳定的温度分布，因此更适合于较低的C在需要更高电流的EV中会更好由于配置A中的平均温度高于其他配置，放电时间也受到影响。这可以在图6中看到，其中4C速率的总放电时间仅为300 s的数量级或仅为其他两种配置的一半。换句话说，配置B和C可以使EV在一次充电中覆盖更多里程，从而使其更高效。4. 结论在1、2和4 C的恒定放电率下，对三种不同配置的石蜡填充管作为电动汽车（EV）电池模块的被动电池热管理系统进行了实验评估，并在本手册中进行了报告。相变材料（PCM）的使用通过吸收电池单元散发的热量来稳定模块内部的温度，标记为配置A的第一配置提供了容易的安装和布线系统，但可能无法承受高放电率。在具有4C速率的该实验中，这种配置不能具有低于75 °C的预设截止值的稳定温度。另外两种配置在低于55 °C时具有更稳定的温度曲线，并且在使用时可以具有更长的里程在EV中。根据本研究中进行的各种测试，比例B和C可以提供比配置A更长的放电时间此外，PCM管分散在模块中的配置C产生更高程度的温度均匀性，反映了操作期间最热和最冷电池单元之间的差异基于均匀度的评估还表明，配置A将仅限于约1C. 相比之下，配置B和C在各种放电电流中可以具有更多这种有利的条件可能会导致更有效的电动汽车性能，并可能延长整个电池的生命周期。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。致谢这项工作得到了印度尼西亚科学研究所（LIPI）第26/A/DT/2021号工程科学副代表的支持，作为电动汽车技术领域2020-2024年国家研究重点计划的一部分。作者要感谢科学技术利用和创新中心以及印度尼西亚科学研究所清洁技术研究单位通过初步热重分析（TGA）以及差示扫描量热法（DSC）对本研究中使用的相变材料进行热分析表征。本实验工作的主要贡献者是ACB和SK，他们主要设计和准备电池模块设置，材料，数据收集和手稿撰写。其他作者在较小的部分中以不同的方式参与，例如模块部件的制造，数据处理以及结果的讨论和分析。所有作者均认可本手稿的内容。引用[1] H.Y. 公 司 Hwang ， Y.S. 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