來(lái)源|Applied Thermal Engineering

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背景介紹

全球變暖問(wèn)題越來(lái)越引起政府、公司和其他各組織的關(guān)注，發(fā)展清潔和可持續(xù)的替代能源已成為一個(gè)十分重要的話題。使用電動(dòng)汽車(chē)代替內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)有望成為實(shí)現(xiàn)降低溫室氣體排放量目標(biāo)的一個(gè)很有前景的解決方案。然而，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)性能的擔(dān)憂影響著消費(fèi)者們的選購(gòu)偏好，這也促使電動(dòng)汽車(chē)制造商不斷提高其電池組的能量密度。從2008年到2020年，一個(gè)典型的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組的平均能量密度從55 Wh/L增加到450 Wh/L，這是通過(guò)在電池組中安裝更多的電池來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這導(dǎo)致總產(chǎn)熱速率急劇上升。

此外，阻礙電動(dòng)汽車(chē)廣泛使用的另一障礙是充電所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此，快充（FC），即通常被定義為一個(gè)電荷率（C-充電率）高于1C的充電過(guò)程，已被用于新一代電動(dòng)汽車(chē)，與此同時(shí)，鋰離子電池也會(huì)產(chǎn)生更大的熱量，

溫度會(huì)顯著影響電動(dòng)汽車(chē) (EV) 中鋰離子電池組的能效、安全性、壽命和性能。電池在快速充電（FC）中整體溫度高、溫差大，會(huì)導(dǎo)致性能下降，甚至出現(xiàn)熱失控等災(zāi)難性故障。此外，電池組能量密度的增加限制了熱管理系統(tǒng)的空間，這些因素對(duì)新一代BTMS提出了更高的要求。

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成果掠影

近期香港科技大學(xué)邱惠和教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于超薄熱接地平面的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(UTTGP-BTMS)，采用0.4mm厚的新型UTTGP風(fēng)冷散熱，將電池間隙的熱量散發(fā)出來(lái)，采用雙層高每英寸孔隙率 (PPI) 網(wǎng)格和潤(rùn)濕性改性來(lái)提高 UTTGP 的熱性能。

在BTMS評(píng)估測(cè)試之前，電池在2.2C至4C快充條件下的發(fā)熱率通過(guò)Bernardi模型進(jìn)行估算，然后，在 10°C 至 50°C 的環(huán)境溫度和 2.2C 至 4C的 快充條件下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究新型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) (BTMS) 的熱性能。BTMS能夠?qū)?C 充電率下55Ah磷酸鐵鋰電池的表面溫度維持在 42.7 °C以下，并且表現(xiàn)出良好的表面溫度均勻性。與采用銅散熱器的 BTMS 相比，熱阻大幅降低，同時(shí)，較高的孔密度在高C速率下也表現(xiàn)出更好的性能，該研究為電動(dòng)汽車(chē)高功率電池?zé)峁芾硖峁┝诵碌慕鉀Q思路。

相關(guān)研究成果以“A novel battery thermal management system utilizing ultrathin thermal ground planes for prismatic Lithium-ion batteries”為題發(fā)表于《Applied Thermal Engineering》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1 UTTGP的原理圖。(a)a UTTGP的橫截面示意圖，(b)a100mm×100 mm UTTGP的爆炸視圖。

圖2 掃描電子顯微鏡（SEM）照片，放大倍數(shù)(a)95×，(b)1200×，(c)15000×。

圖3 (a)在UTTGP-BTMS中使用的單個(gè)棱柱狀LFP照片。(b)UTTGP-BTMS的組裝。(c)UTTGP-BTMS的爆炸圖。(d)UTTGP-BTMS的開(kāi)發(fā)組件照片。(e)恒溫腔室照片。(f)電池測(cè)試系統(tǒng)照片。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖。

圖5 (a)蒸發(fā)器溫度不同填充比、熱阻(b)、35℃環(huán)境溫度下(c)電池放電充電循環(huán)試驗(yàn)下的比較。

圖6 #500 UTTGP-BTMS在2.2C充電下的熱性能：(a)電池表面溫度，(b)UTTGP-BTMS熱阻，(c)電池表面溫度不均勻率，(d)電池表面溫度的總體標(biāo)準(zhǔn)差。

圖7 UTTGP-BTMS與裸銅板BTMS的熱性能比較。

圖8 #500和#450 UTTGP-BTMS在不同環(huán)境溫度下的溫度不均勻率的比較：(a) 40℃，(b)35℃，(c)30℃，(d)25℃，(e) 20℃。

END

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審核編輯黃宇