目的 

研究電動(dòng)汽車高/低溫工況下鋰離子（Li–ion）電池散/加熱所需時(shí)間，完善電池?zé)峁芾硐?/span>統(tǒng)（BTMS）的保溫與安全設(shè)計(jì)。方法 通過瞬態(tài)仿真分析微通道耦合微熱管（MC 耦合 UMHP）式BTMS 作用 Li–ion 電池組散熱過程的動(dòng)態(tài)特性，并在該 BTMS 結(jié)構(gòu)上增加電加熱輔助設(shè)計(jì)，考慮到Li–ion 電池組在超低/高溫工況運(yùn)行時(shí)的各種不利條件，對(duì) MC 耦合 UMHP 式 BTMS 增加保溫與安全設(shè)計(jì)。結(jié)果 在流速為 3 m/s 時(shí)，MC 耦合 UMHP 式 BTMS 作用 Li–ion 電池組從初始溫度 314 K 降溫至目標(biāo)溫度 303 K 所需的時(shí)間僅為 135 s，在 Li–ion 電池組初始溫度為 258 K 時(shí)，加熱時(shí)間近 258 s，在各種工況下進(jìn)行散/加熱仿真實(shí)驗(yàn)中 Li–ion 電池組的最大溫差始終小于 5 K。結(jié)論 MC 耦合 UMHP 式 BTMS對(duì) Li–ion 電池散/加熱所需時(shí)間少，換熱效果好，溫度均衡性好。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；BTMS；微通道；微熱管；安全

作者：王振，李保國           上海理工大學(xué)，上海

作為電車動(dòng)力源，鋰離子（Li–ion）電池能夠?qū)?span>現(xiàn)平衡其最佳性能與使用壽命的工作溫區(qū)為 288～308 K[1]。Li–ion 電池性能易受溫度影響，在溫度為303～313 K 時(shí)，Li–ion 電池溫度每升高 1 K，其使用壽命將縮短 2 個(gè)月[2]。在低溫時(shí) Li–ion 電池活性迅速降低并失去部分電量，在高溫時(shí) Li–ion 電池生熱加劇，易引發(fā)安全隱患[3]。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）是一種為動(dòng)力 Li–ion 電池提供及時(shí)熱量交換與保護(hù)而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，通常采用包裹/貼覆于動(dòng)力電池表面的結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行換熱[4]?？煽康?BTMS 是保證 Li–ion電池在多工況環(huán)境下正常工作與安全運(yùn)行的關(guān)鍵[5]。

受限于電車的小空間尺寸，更加簡(jiǎn)潔與微型的 BTMS備受市場(chǎng)青睞與需求，要求動(dòng)力電池的有效散熱間隙降低至 2～3 mm[1,3]，而基于常規(guī)的空氣、液冷、相變材料（PCM）以及熱管式的 BTMS 已不再適用[6]。要解決 BTMS 中的高換熱量與高占用空間等問題，須采用換熱性能更好、水力直徑更小的微通道與微熱管等相關(guān)換熱技術(shù)[3]。

Zhao 等[7]通過改變微通道體積、質(zhì)量流量、流動(dòng)方向和進(jìn)氣道尺寸等，對(duì)冷卻圓柱鋰離子電池的散熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，當(dāng)微通道數(shù)量大于 4，入口質(zhì)量流量為 10?3 kg/s 時(shí)，鋰離子電池的最高溫度低于 313 K。Liu 等[8]采用數(shù)值模擬研究了在微通道中添加納米顆粒對(duì) 5 層方形鋰離子電池的控溫效果，結(jié)果顯示，納米顆粒的換熱效果優(yōu)于同等條件下的水和乙二醇的混合溶液。Bai 等[9]提出了一種基于相變漿液（PCS）和微型通道冷卻板結(jié)合的BTMS。模擬結(jié)果表明，當(dāng)質(zhì)量流量小于 3×10?4 kg/s時(shí)，體積分?jǐn)?shù)為 20%正十八烷微膠囊和體積分?jǐn)?shù)為80%水組成的 PCS 的冷卻性能優(yōu)于純水、乙二醇溶液和礦物油。An 等[10]采用仿真研究發(fā)現(xiàn)，在放電速率為 2 C 的情況下，對(duì)電池單側(cè)的一半表面進(jìn)行冷卻足以使電池組的最大溫差小于 3 K。微通道液冷式BTMS 可以有效地保障 Li–ion 電池組在較為合適的溫區(qū)內(nèi)工作，并隨著微通道和平板數(shù)量的增加以及進(jìn)口流量的增加，微通道換熱器的換熱性能越好，但隨著管道長度與流速的增加，Li–ion 電池組溫差隨之增大[11-13]。Ye 等[14]采用微熱用熱管冷卻板對(duì)鋰離子電池組在快速充電狀態(tài)下的熱性能進(jìn)行研究，得到在 8 C充電倍率和不同的冷卻控制策略下其設(shè)計(jì)的 BTMS均具有良好的散熱性能。Liu 等[3]提出了采用扁平超薄微熱管（Ultra-Thin Micro Heat Pipe，UMHP，厚度為 1 mm）用于 BTMS，對(duì)其在極端情況下的散/加熱性能做了實(shí)驗(yàn)研究，得到在單體電池生熱率小于10 W 時(shí)，其表面溫度小于 313 K，在產(chǎn)熱率為 20～40 W 時(shí)，其表面溫度小于 328 K，最大溫差不超過5 K，但其采用翅片式設(shè)計(jì)用于微熱管散熱仍然存在體積較大、效率較低的問題，作為整體的 BTMS 換熱結(jié)構(gòu)其體積已超出了小空間占比的設(shè)計(jì)要求[3,14]。

此外，微通道熱管和微通道的區(qū)別在于：前者是封閉恒溫系統(tǒng)，內(nèi)部流通的相變制冷劑可自成循環(huán)，需要輔助額外的散熱設(shè)施將熱量轉(zhuǎn)移至車載換熱設(shè)備中；而后者是開放變溫系統(tǒng)，內(nèi)部流通的載冷劑可在泵的驅(qū)動(dòng)下與車載換熱設(shè)備直接換熱，并完成整個(gè)換熱循環(huán)[6]。因此，文中在對(duì)微通道（MC）與扁平微熱管結(jié)構(gòu)與特性研究的基礎(chǔ)上，通過在 UMHP 冷凝端耦合 MC 組對(duì)其進(jìn)行換熱，構(gòu)建 MC 耦合 UMHP 式BTMS。該耦合結(jié)構(gòu)集合了 MC 與 UMHP 的傳熱優(yōu)勢(shì)于一體，從根本上解決 UMHP 式 BTMS 所需換熱設(shè)備大，以及長尺寸 MC 式 BTMS 中 Li–ion 電池組溫差大等問題。文中將通過瞬態(tài)仿真分析的方法研究MC 耦合 UMHP 式 BTMS 對(duì) Li–ion 電池散/加熱過程的動(dòng)態(tài)特性的影響，并在此基礎(chǔ)上完善其對(duì) Li–ion電池的保溫與安全設(shè)計(jì)。

01、模型描述

Li–ion 電池組模型

考慮到方形 Li–ion 電池單體/組是當(dāng)前國內(nèi)廠商生產(chǎn)與使用最多的 Li–ion 電池類型，因此，在對(duì)Li–ion 電池單體/組的選型時(shí)，選擇 BTMS 設(shè)計(jì)還不完善、在國內(nèi)使用最多的方形 Li–ion 電池單體/組，并以 5組方形 Li–ion電池單體構(gòu)成的電池組為研究對(duì)象，可以完整地用于代替各種不同工況下的電池包的性能測(cè)試[15]。5 個(gè)型號(hào) GSP09102165F 方形聚合物Li–ion 電池構(gòu)成的熱源系統(tǒng)模型見圖 1，該模型主要包含 4 類結(jié)構(gòu)：5 組 Li–ion 電池體模型、5 組陰極極耳、5 組陽極極耳和 5 組電池殼體模型，其詳細(xì)規(guī)格與物性參數(shù)見表 1[3]。

MC 耦合 UMHP 式 BTMS 模型構(gòu)建

MC 耦合 UMHP 式 BTMS，見圖 2，其中 MC 耦合 UMHP（MC–UMHP）換熱結(jié)構(gòu)豎直地貼敷于垂直放置的 Li–ion 電池組的側(cè)立面，構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu)。圖2b 為放大后的 MC–UMHP 換熱結(jié)構(gòu)圖，其中 5 組MC 與 5 組 UMHP 通過熱融合的方式形成一體結(jié)構(gòu)，并豎直地貼敷于 Li–ion 電池組兩側(cè)。該模型的幾何參數(shù)：MC 的結(jié)構(gòu)特征尺寸為 50.2 mm×6.2 mm×1.4 mm；UMHP 的結(jié)構(gòu)特征尺寸為 161.7 mm×10 mm×1 mm；UMHP 組中相鄰 UMHP 單體的間距為 0.5 mm；相鄰電池單體的間距為 0.5 mm；相鄰 MC–UMHP 結(jié)構(gòu)的間距為 102 mm。

02、數(shù)值求解方法及過程

數(shù)值求解方法

使用基于有限體積法 19.2 版本的 Fluent 對(duì)具有一定初始溫度的 Li–ion 電池組熱源模型進(jìn)行瞬態(tài)仿真研究，黏性模型選擇 k–e，以上選擇主要用于計(jì)算高雷諾數(shù)（Re）條件下微通道中的流體流動(dòng)。動(dòng)量與能量方程選擇 Quick 方式進(jìn)行離散，采用 CoupledAlgorithm 算法求解熱傳導(dǎo)與對(duì)流的共壓速度耦合，其主要目的是加速微通道中的仿真計(jì)算[16-18]。計(jì)算域的網(wǎng)格劃分采用六面體與四面體單元，研究中的液體是水，固體分別是鋁、陽極、陰極和 Li–ion 電池。由于 Re 已超過 2 000，故該流體被認(rèn)為是三維不可壓縮湍流。

邊界條件設(shè)置

考慮到此次仿真計(jì)算的模型結(jié)構(gòu)與傳熱方式，選擇高速流動(dòng)的液體水作為載冷劑物質(zhì)用于傳熱，因此入口邊界條件設(shè)置為均勻流速入口，出口邊界條件設(shè)置為充分發(fā)展出口，背壓為 0；考慮到 MC 與 UMHP耦合面處的傳熱、流體與壁面間的耦合傳熱以及UMHP 與 Li–ion 電池組間的耦合傳熱，耦合面設(shè)置為無滲透滑移面邊界條件。然而在進(jìn)行不同工況的仿真計(jì)算時(shí)邊界條件仍有變化，如：入口邊界條件 Uin為 0.5、2、3、4 m/s；Tin 為 289、291、293、295 K；Li–ion 電池組的初始溫度高溫為 298、300、312、314、316 K，低溫為 258、263、268、273、278 K；Li–ion電池組的降溫目標(biāo)溫度為 303 K，升溫目標(biāo)溫度為293 K；電輔熱的加熱功率為 180 W[3]。

網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

Workbench Mesh 軟件用于網(wǎng)格劃分。為了確保Li–ion 電池與 UMHP 間、UMHP 與 MC 間、MC 壁面與流體間的耦合換熱，通過 Mesh 軟件在 MC 的內(nèi)壁面、UMHP 的外壁面以及流體的外表面構(gòu)建耦合面。為了減少仿真中的計(jì)算量并保證計(jì)算精度，對(duì)Li–ion 電池、UMHP、陰極、陽極體模型采用大尺寸的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，但是，由于流體的水力直徑遠(yuǎn)小于 MC 的長度，對(duì) MC 以及 MC 內(nèi)的流體域只能采用小尺寸的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以確保對(duì)流體近壁面區(qū)域仿真計(jì)算時(shí)的精度。此時(shí)，BTMS 的網(wǎng)格模型共計(jì)分為 6 個(gè)區(qū)域，即：流體域、MC 域、UMHP域、Li–ion 電池域、陰極域和陽極域，其中各區(qū)域中對(duì)應(yīng)的最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置依次為 0.08、0.1、1.0、1.5、0.5、0.5 mm。參照型 BTMS（Ref 型 BTMS）的網(wǎng)格示意圖見圖 3，該模型的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和傳熱耦合方式均與 MC 耦合 UMHP 式 BTMS 相同。

不同網(wǎng)格參數(shù)配置條件下劃分得到的 Ref 型BTMS 的網(wǎng)格數(shù)范圍為 2 382 684～6 961 415，以及其對(duì)應(yīng)仿真計(jì)算得到的努塞爾數(shù)（Nu）見表 2。對(duì)表2 中數(shù)據(jù)分析可知，在流體域的網(wǎng)格劃分尺寸范圍為0.06～0.1 mm，對(duì)應(yīng) Nu 的最小相對(duì)偏差僅為 0.03%，對(duì)應(yīng) Nu 的平均相對(duì)偏為 0.05%，因此，選用網(wǎng)格數(shù)和尺寸分別為 3 443 986 和 0.08 mm，可作為后續(xù)BTMS 模型網(wǎng)格劃分參數(shù)的基準(zhǔn)，該網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置將有助于在保證仿真計(jì)算精度的同時(shí)降低仿真計(jì)算時(shí)間。使用該網(wǎng)格劃分參數(shù)配置時(shí)，連續(xù)性方程與動(dòng)量方程的收斂準(zhǔn)則設(shè)置為 10–3，能量方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為 10–6。

時(shí)間步長獨(dú)立性驗(yàn)證

使用網(wǎng)格數(shù)為 3 443 986 的 BTMS 仿真計(jì)算模型對(duì) 4 個(gè)不同的時(shí)間步長（0.025～2 s）進(jìn)行時(shí)間步長獨(dú)立性驗(yàn)證研究，見表 3。當(dāng)時(shí)間步長從 0.25 s 更改為 0.5 s 時(shí)，以及從 0.5 s 更改為 1 s 時(shí)，Li–ion 電池組溫度變化率僅為 0.002%和 0.003%。當(dāng)它從 1 s 更改為 2 s 時(shí)，變化率為 0.007%，遠(yuǎn)大于前面 2 種時(shí)間步長對(duì)應(yīng)的 Li–ion 電池組溫度變化率，因此，選擇 1 s的時(shí)間步長作為后續(xù)瞬態(tài)仿真研究的基準(zhǔn)。

03、結(jié)果與討論

仿真模型驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)[19-20]中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與驗(yàn)證方法，文中得到的結(jié)果見圖 4。從圖 4 中變化曲線可以看出，3 組數(shù)據(jù)中的阻力系數(shù)（f）均隨 Re 增加而緩慢變小，且變化趨勢(shì)相同。在 Re 相同時(shí)，3 種 f 間的相對(duì)偏差均小于 5%，平均偏差為 2.4%，可認(rèn)為當(dāng)前模型仿真計(jì)算結(jié)果的精度符合要求。此外，參考文獻(xiàn)中相同結(jié)構(gòu)的 BTMS 在 3 C放電實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)其對(duì)應(yīng)的電池包最大溫差為 7.2 K，對(duì)應(yīng)的電池組最大溫差為 4.6 K[3]，而該研究中參照型 BTMS 在 3 C放電仿真計(jì)算結(jié)束時(shí)其對(duì)應(yīng)的電池包最大溫差為 7.3 K，對(duì)應(yīng)的電池組最大溫差為 4.7 K，二者相對(duì)偏差小于 2%，即參照型 BTMS仿真計(jì)算過程可靠，仿真計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。由此可推斷出 MC 耦合 UMHP 式 BTMS 的仿真結(jié)果準(zhǔn)確。

流體入口溫度對(duì) Li–ion 電池散熱所需

時(shí)間的影響

不同入口溫度（Tin）條件下，Li–ion 電池組溫度從 308 K 降溫至 303 K 時(shí)所需的時(shí)間變化見圖 5。在Tin為 289 K 時(shí)，其降溫時(shí)間僅需 53 s，在 Tin 為 293 K時(shí)，其降溫時(shí)間為 72 s，是前者的 1.36 倍，而在Tin大于 293 K 之后，其所需的降溫時(shí)間更長，因此降低入口流體溫度可有效縮短 Li–ion 電池組的降溫時(shí)間。此外，由圖 5 中的折線圖的變化趨勢(shì)可知，在流體入口溫度小于 291 K 之前，曲線的變化趨緩，由此可以推斷 BTMS 的降溫效果會(huì)隨著入口溫度的降低而降低。

流體入口流速對(duì) Li–ion 電池散熱所需

時(shí)間的影響

入口流速對(duì) Li–ion 電池組溫度從 308 K 和 314 K降溫至 303 K 時(shí)所需的時(shí)間曲線影響見圖 6。由圖 6對(duì)比分析可知，在 Li–ion 電池組初始溫度為 308 K 與314 K 時(shí)，隨著入口流速 Uin 的增加，降至目標(biāo)溫度所需時(shí)間縮短，即 Uin 值越大，BTMS 對(duì) Li–ion 電池組的換熱越強(qiáng)。通過分析不同 Uin 條件下 2 種初始溫度工況對(duì)應(yīng)的 Li–ion 電池組的降溫時(shí)間差（?t）可知，Uin 值越大 2 種初始溫度工況對(duì)應(yīng)降溫時(shí)間差越小，在 Uin 值為 3 m/s，Li–ion 電池組初始溫度為 314 K 時(shí)，Li–ion 電池組在 MC 耦合 UMHP 式 BTMS 的作用下降溫至 303 K 所需的時(shí)間僅需 135 s，該降溫時(shí)間可完全滿足夏季高溫工況時(shí)的使用要求。

Li–ion 電池初始溫度對(duì)其散熱所需時(shí)

間和溫度分布的影響

上述研究表明，流體入口 Uin 值為 3 m/s 時(shí)，MC耦合 UMHP 式 BTMS 作用 Li–ion 電池組的降溫時(shí)間較為理想，因此，控制 Uin 值為 3 m/s，通過改變 Li–ion電池組初始溫度研究其散熱所需時(shí)間。不同 Li–ion電池組初始溫度對(duì)應(yīng)的降溫時(shí)間變化曲線見圖 7，從圖 7 可看出，隨著 Li–ion 電池初始溫度的增加，降溫所需的時(shí)間也在增加。Li–ion 電池組降溫所需時(shí)間與初始溫度的變化量呈現(xiàn)線性關(guān)系，即 Li–ion 電池組初始溫度越高，其降溫所需的時(shí)間越長，其函數(shù)關(guān)系式為：y=10x?3 006。

Uin 值為 3 m/s 時(shí)，Li–ion 電池組從初始溫度分別為 308 K 和 310 K 降溫至 303 K 時(shí)的溫度云圖見圖 8，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2 幅云圖的溫度分布相同。低溫區(qū)域主要集中在 MC 與 UMHP 的耦合交接處，以及 Li–ion電池組的上部?jī)啥?，而高溫區(qū)域主要集中在的 Li–ion電池組的中間區(qū)域，尤其是底部區(qū)域溫度值最高，但Li–ion 電池組的最大溫差小于 5 K，即通過 MC 耦合UMHP 式 BTMS 對(duì)該工況下的 Li–ion 電池組進(jìn)行散熱，可以滿足溫度均衡性的設(shè)計(jì)要求。

Li–ion 電池初始溫度對(duì)其加熱所需時(shí)

間及溫度分布的影響

在環(huán)境溫度小于 283 K 以下時(shí)，此時(shí) BTMS 作用Li–ion 電池組加熱升溫的過程需要輔助電加熱系統(tǒng)。對(duì)于 MC 耦合 UMHP 式 BTMS，該研究采用 UMHP與電池體側(cè)立面接觸的部位作為加熱裝置的加熱面，并通過導(dǎo)線對(duì)其施加恒定的加熱功率（180 W）。當(dāng)環(huán)境溫度小于 268 K以下時(shí)，此時(shí)的 BTMS將停止工作，對(duì) Li–ion 電池組的加熱工作只能采用電加熱系統(tǒng)來完成，因此文中對(duì)此展開如下研究：控制 Li–ion 電池組初始溫度分別為 258、263、268 K，研究電加熱作用使其升溫至 293 K 時(shí)所需時(shí)間；控制 Li–ion 電池組初始溫度分別為 273 K 和 278 K，研究 BTMS 與電加熱聯(lián)合作用使其升溫至 293 K 時(shí)所需時(shí)間。

不同初始溫度的 Li–ion電池組加熱至 293 K時(shí)所需時(shí)間變化圖，見圖 9。在 Li–ion 電池組初始溫度為258 K 時(shí)，此時(shí)需要的加熱時(shí)間為 258 s，可完全滿足BTMS 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[21]。在 Li–ion 電池組初始溫度為 258～268 K，隨著在 Li–ion 電池組初始溫度的升高，升溫所需的時(shí)間減少，二者為線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，此時(shí)電池的加熱過程主要由電加熱完成；圖 8 中的升溫時(shí)間曲線在 268 K 和 273 K 處的曲線斜率顯著增大，說明 Li–ion 電池組的升溫速度加快，其原因是當(dāng) Li–ion 電池組初始溫度為 273 K 時(shí)，此時(shí) BTMS與電加熱系統(tǒng)同時(shí)對(duì)其進(jìn)行加熱，對(duì)應(yīng)的升溫所需時(shí)間遠(yuǎn)小于 268 K 時(shí)對(duì)應(yīng)的升溫時(shí)間。

此外通過分析具有一定初始溫度（高/低）靜態(tài)的 Li–ion 電池在 BTMS 的作用下進(jìn)行散/加熱過程中熱量的傳遞方式和傳熱系數(shù)可知，二者的傳熱方向相反，一個(gè)是從低溫到高溫的加熱過程，一個(gè)是從高溫到低溫的散熱過程。在一定溫區(qū)范圍內(nèi)，由于流體的物性參數(shù)變化微小，且 UMHP 的蒸發(fā)段與冷凝段在仿真建模時(shí)被看成一體結(jié)構(gòu)，并使用同一傳熱系數(shù)，因此，靜態(tài)的 Li–ion 電池通過 BTMS 進(jìn)行散熱或者加熱過程中的傳熱方式，以及該散熱或者加熱過程中的換熱系數(shù)都是相同的。單獨(dú)研究 BTMS 散熱動(dòng)態(tài)特性即可代表 Li–ion 電池在 BTMS 作用下的整個(gè)散/加熱過程的動(dòng)態(tài)特性研究。

MC 耦合 UMHP 式 BTMS 保溫與安全設(shè)計(jì)

由表 1 與表 2 中的幾何參數(shù)可知，MC 耦合 UMHP式 BTMS 已在相鄰 Li–ion 電池單體間預(yù)留了 155 mm×102 mm×0.5 mm 的空間，并在相鄰 UMHP 間預(yù)留了10 mm×102 mm×0.5 mm 的空間，該預(yù)留空間剛好布置氣凝膠層，由此設(shè)計(jì)了圖 10a 所示的具有良好保溫性能與安全性能的 BTMS，該 BTMS 由前期設(shè)計(jì)的MC 耦合 UMHP 式 BTMS 和多組氣凝膠層構(gòu)成。無Li–ion 電池組時(shí)的氣凝膠層與 MC–UMHP 結(jié)構(gòu)見圖10b，從圖 10b 可以發(fā)現(xiàn)氣凝膠層與 UMHP 組一起構(gòu)成了多層矩形箱式結(jié)構(gòu)，每個(gè)箱體結(jié)構(gòu)恰好為 Li–ion電池單體提供布置空間。氣凝膠作為極輕的固體材料，其密度為 3.55 kg/m3，熔點(diǎn)為 1 473 K，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.013 W/(m·K)，可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，絕緣性能是玻璃纖維的 39 倍。具有氣凝膠層與 Ve 型 BTMS 結(jié)構(gòu)的 Li–ion 電池組布置平面圖見圖 10c。圖 10c 的上部分圖為等比例繪制的俯視圖，從整體上展示了 MC 耦合 UMHP 式 BTMS、Li–ion電池組和氣凝膠層的相對(duì)位置、相對(duì)大小和布置方式。圖 10c 的下部圖為局部放大示意圖，更加直觀地介紹氣凝膠層與 MC 耦合 UMHP 式 BTMS 結(jié)構(gòu)，以及 Li–ion 電池組的布置方式與相對(duì)位置。氣凝膠層布置于相鄰 Li–ion 電池單體與相鄰 UMHP 的間隙中，并在 Li–ion 電池組的最外層兩側(cè)布置了氣凝膠層，由此氣凝膠層與 UMHP 組一起對(duì) Li–ion 電池組中的單體電池構(gòu)建了獨(dú)立的包覆結(jié)構(gòu)，即每個(gè) Li–ion 電池單體均具有單獨(dú)的包覆結(jié)構(gòu)。

通過在 MC 耦合 UMHP 式 BTMS 中增加氣凝膠填充層的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)如下設(shè)計(jì)功能：隔絕 Li–ion電池組內(nèi)相鄰電池的直接接觸，防止部分因質(zhì)量缺陷而失控的 Li–ion 電池對(duì)其他正常 Li–ion 電池的破壞，以及引發(fā)的一系列連鎖反應(yīng)；Li–ion 電池單體厚度方向兩側(cè)的氣凝膠填充層與其側(cè)立面兩側(cè)的 UMHP 一起形成獨(dú)立的保溫系統(tǒng)，可有效控制單體 Li–ion 電池的溫度，以及防止其與外界/相鄰物體傳遞/吸收熱量；氣凝膠填充層可將 Li–ion 電池組最大溫度差轉(zhuǎn)變成Li–ion 電池單體的最大溫度差，因此 MC 耦合 UMHP式 BTMS 的溫度均衡性能可得到進(jìn)一步提升。

04、結(jié)論

MC 耦合 UMHP 式 BTMS 對(duì) Li–ion 電池散/加熱所需時(shí)間少，換熱效果好。流體入口溫度越低，Li–ion電池組所需的降溫時(shí)間越少，Li–ion 電池組初始溫度越低，加熱至目標(biāo)溫度所需時(shí)間越長；流體入口流速越大，Li–ion 電池組所需的降溫時(shí)間越少，在流速為3 m/s 時(shí)，Li–ion 電池組從初始溫度 314 K 降溫至目標(biāo)溫度 303 K 所需的時(shí)間僅為 135 s；在 Li–ion 電池組初始溫度為 258 K 時(shí)，此時(shí)需要的加熱時(shí)間為258 s。在各種工況下進(jìn)行散/加熱仿真實(shí)驗(yàn)中 Li–ion電池組的最大溫差始終小于 5 K，滿足 BTMS 設(shè)計(jì)的溫度均衡性要求。通過在 MC 耦合 UMHP 式 BTMS中增加氣凝膠填充層的設(shè)計(jì)，使得 MC 耦合 UMHP式 BTMS 的保溫性能、安全性能和溫度均衡性能可以更好。

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