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论文信息：
Gao C, Sun K, Song K W, et al. Performance improvement of a thermal
management system for Lithium-ion power battery pack by the combination of
phase change material and heat pipe[J]. Journal of Energy Storage, 2024, 82:
110512.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.est.2024.110512.
近年来，日益严重的环境污染问题和化石燃料资源的枯竭引起了全世界的广泛关注。新能源汽车降成为缓解全球燃料问题和环境恶化的有效途径。锂电池具有比能量高、功率输出大、充放电快、使用寿命长等优点。但它的性能受到温度的严重影响。设计一种简单、有效、安全的电池热管理系统(BTMS)是控制电池温度和内部温差的有效措施。单一BTMS不能满足高放电率下电池散热的要求，而混合BTMS可以满足这一要求。结合PCM和HP的混合BTMS可以有效地改善PCM系统导热系数低和热积累的缺点。与以往的研究不同，本文提出了一种结合PCM和HP的混合型BTMS, HP位于电池之间，与电池直接接触。电池产生的热量被HP和PCM同时吸收。HP可以快速有效地带走热量，这大大降低了电池温度，延迟了PCM的熔化时间，降低了热失控的风险。因此，所提出的BTMS在热管理方面具有良好的优势，可以满足实际应用的要求
如图1所示，电池组模型由1,618,650个圆柱形电池、24个hp和PCM组成。hp垂直放置在两个相邻的电池之间，并与电池保持良好的接触。电池之间剩余的空隙被PCM填充，导致电池完全被hp和PCM包裹。电池组整体尺寸为L=87 mm*W=87 mm*H=65 mm。电池间的横向间距为S1=21 mm，纵向间距为S221 mm。为了使HP与电池完美贴合，HP的两侧为凹曲面，弯曲度与电池表面相同。HP与电池接触的对应中心角为α=60°。
图2(a)为自然对流和不同放电速率下的Tmax分布。Tmax随着放电速率的增大而急剧增大。放电率从1C到4C，电池组的最终温度分别记录为41.08°C, 67.11°C, 83.97°C和175.43°C。值得注意的是，只有当以1C的速率放电时，Tmax才会保持在可接受的工作温度范围内。在其他放电速率下，最高温度超过50℃。因此，自然对流不能及时充分释放电池内部产生的热量。
图2(b)为本研究与文献中类似工作的最高温度和温差对比。文献所研究的电池组也由18650电池、PCM和hp组成。在文献中，HPs和PCM是交替排列的，HPs位于四个相邻的圆柱形电池之间，这与本研究的布局不同。在放电速率为2C时，文献的研究最高温度为47.7◦C，而本研究在h = 15 W/(m2⋅K)时的最高温度为44.5◦C，在h = 60 W/(m2⋅K)时的最高温度为38.2◦C，分别比文献降低了6.7%和19.9%。在放电速率为2C时，文献的温差为3.28◦C，本研究在h = 60 W/(m2⋅K)时温差为3.99◦C，而本研究在h = 15 W/(m2⋅K)时温差仅为1.36◦C，与Ref.[44]相比降低了58.5%。因此，与文献中报道的配置相比，本文提出的hp和pcm的配置布局不仅在控制最高温度方面具有优势，而且在小h值的温差上也具有优势。![]()
图2. 自然对流条件下不同放电速率下的Tmax (a)以及与以往研究结果的比较(b)。
本研究将HP冷凝段换热系数设为常数，并根据不同的外部冷却条件设置h的三个值。图3(1)为不同放电速率下h对最高、最低温度的影响。在不同的放电速率下，最高和最低温度随h的增加而降低，而最高和最低温度随放电速率的增加而继续升高。因此，最高和最低温度可以有效地控制的外部冷却条件的hp。图3(II)给出了不同放电速率下不同h对温差的影响。当放电速率固定时，温差随h的增大而增大。最低温度的衰减量大于最高温度的衰减量，因此温差随h的增加而增大，且温差随放电速率的增加而增大。因为当放电倍率增加时，电池产生的热量增加，造成高温升高，导致ΔT升高。当放电速率为2C时，当h为15 W/(m2·K)和30 W/(m2·K)时，温差先升高后减小。这是因为PCM以显热的形式吸收热量，在PCM的最高温度达到液相温度之前，温度不断升高。然后PCM开始熔化，在熔化过程中温度基本保持不变，而PCM的最低温度在达到液相温度之前继续升高。因此，在熔化过程开始时，温差开始减小。当h = 60 W/ (m2⋅K)时，HPs能及时将热量分散到周围环境中，因此PCM的升温速率较低，在整个放电过程中温度持续升高，未达到液相温度。因此，放电过程中最大温差增大，h = 60 W/(m2⋅K)。较大的h值可以有效降低Tmax和Tmin，但对Tmin的降低幅度较大。因此，h越大，ΔT值越大，h越小，有利于温度均匀性。![]()
图3.不同h下的最高温度与温差比较，(I) Tmax， (II) ΔT， (a) 2C， (b) 3C， (c) 4C
图4(I)显示了BTMS与PCM和PCM + HP的液相分数β的比较。随着放电倍率的增加，PCM的β增大。对于PCM + HP的系统，β比仅PCM的系统小，这是因为HP在电池组外交换的热量更多，而PCM吸收的热量更少。
图4(II)显示了不同换热系数的HP对PCM + HP系统β的影响。当h值较高时，更多的热量可以从电池组传输到环境中，从而使PCM吸收的热量更少。因此，在低放电速率2C过程中，电池产生的热量较少，hp迅速吸收大部分热量，PCM吸收剩余的一小部分热量。因此，在h = 60 W/ (m2·K)时，PCM吸收的热量较少，其温度未达到液相温度，液相分数始终为零。当h = 15 W/(m2·K)时，PCM在1025s开始熔化，最终β值为0.19。随着排放率的增加，单位时间内产生的热量越来越多，虽然hp仍能吸收部分热量，但PCM吸收的热量也在增加。此时PCM的温度逐渐升高，在不同的h下PCM的温度可以达到液相温度，因此PCM开始熔化，β稳定升高。PCM没有完全熔化，它仍然有很大的吸收热量的潜力。因此，PCM + HP的组合可以通过改变HP的对流系数来获得较大的吸热潜力，从而保证电池在更高的放电率下工作在安全的温度范围内。如果将PCM + HP系统与可调速风扇相结合，可以根据不同的热负荷调节HP的h，那么电池组将能够在更高的热负荷和更大的放电率范围下工作。图4. (1) BTMS加PCM与PCM + HP的液分比较，(2)BTMS加PCM + HP不同h的液分比较，(a) 2C， (b) 3C， (c) 4C。
综上所诉，与采用PCM的电池系统相比，PCM与HP相结合的电池系统Tmax显著降低。采用PCM + HP的系统的最大ΔT比采用PCM的系统小得多。当h从15 W/(m2·K)增加到60 W/(m2·K)时，电池的Tmax在2C、3C和4C工艺下分别从44.47、51.18和63.24◦C降至38.19、45.91和49.98◦C。当h从60 W/(m2·K)降低到15 W/(m2·K)时，2C、3C和4C的最大ΔT分别从3.99、4.58、6.62、1.73、1.99、4.23◦C降低。PCM + HP组合的BTMS在控制Tmax和ΔT方面具有优势。PCM + HP系统具有较大的吸热潜力，可以保证电池在更高的放电速率下工作在安全的温度范围内，在BTMS中具有很大的应用潜力。
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