导热界面材料与强制风冷在储能模组内的应用_王文文.pdf
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1、2023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计收稿日期:2022-06-24基金项目:天津市新型企业家培养工程(XQ18003)作者简介:王文文(1987),女,内蒙古自治区人,硕士,主要研究方向为储能PACK产品设计开发。通信作者:田青青导热界面材料与强制风冷在储能模组内的应用王文文1,邹玉峰1,钱艳婷2,田青青2(1.力神动力电池系统有限公司,天津 300384;2.天津力神电池股份有限公司,天津 300384)摘要:为探索导热界面材料与强制风冷冷却在锂离子储能电池模组中的应用模式,分析了导热界面材质的特性以及工程应用模式,并通过对比实验验证得到测试结果。研究结果表明:在某些中高倍率应
2、用场景下,可以使用导热界面材料和强制风冷冷却双管齐下的散热方式;利用导热界面材质良好的填充效应可以提升锂离子电池模组的散热能力,可为储能电池模组热管理系统设计提供理论依据。关键词:储能电池模组;导热界面材料;强制风冷;锂电池中图分类号:TM 912文献标识码:A文章编号:1002-087 X(2023)01-0047-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.011Application of thermal interface material and forced air cooling in theLi-ion storage moduleWANG W
3、enwen1,ZOU Yufeng1,QIAN Yanting2,TIAN Qingqing2(1.Tianjin Lishen Battery Joint-Stock Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China;2.Lishen Power Battery System Joint-Stock Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)Abstract:This paper aims to explore the application mode of thermal interface materials and forced air cooling in
4、 Li-ion energy storage battery modules.The characteristics of thermal interface material and engineering applicationmode are analyzed,and the test results are verified by comparative experiments.The results show that,in somemedium-high rate applications,thermal interface materials and forced air coo
5、ling can be used for heat dissipation.The heat dissipation capacity of Li-ion battery module can be improved by using the good filling effect of thermalinterface material.It can provide theoretical basis for the design of thermal management system of energy storagebattery module.Key words:Li-ion ene
6、rgy storage battery modules;thermal interface materials;forced air cooling;lithium battery在电网系统中,电力的生产与消耗需要保持步调一致,但是由于风电、光电存在间歇性和随机性的弊端,其发电状态不稳定、不可控,无法进行大规模存储。大容量储能技术,既可以平滑风电、光电的功率波动,促进其大规模消纳和接入,也可对电网进行调频调峰,提升电网安全稳定运行的能力,这为风电以及光电的大规模发展扫清了障碍。1 储能模组散热方式大容量电池模组作为集装箱级储能电站的能量载体,其研发设计包括以下几项关键技术:系统集成技术,结构设
7、计技术,电子电气设计技术,热设计技术,安全设计技术。其中,热设计技术是大容量储能电池模组开发中极为关键的一步。电池温度的高低以及PACK内部单体电池间温度的均匀性是影响其性能和寿命的关键因素1,因此,良好的热管理策略可以有效控制电池的最高温度,确保电池处于适宜的温度范围内,均衡电芯间的温度,为储能电池高效、安全和长寿命运行提供有力的保障。根据传热介质的不同,电池模组的散热冷却方式可以分为自然冷却、强制风冷、液冷以及相变冷却1-3。自然冷却、强制风冷和液冷这三种冷却方式的基本原理都是冷却介质流经发热主体表面,由于两者之间存在温差,进而在两者之间发生热传递而将发热主体的热量带走,在此过程中冷却介质
8、没有发生相的转变;而相变冷却则是冷却介质在冷板中发生气液相的转变,在转变过程中能够吸收热量,将与其接触的发热主体的热量带走而起到冷却主体的作用2。表1为四种散热方式的比较。从表 1可以看出,液冷和相变冷却在冷却能力和冷却效率上都明显高于自然冷却与强制风冷,但是综合考虑电池充放电工况、所处环境条件、产品结构设计、功耗和成本的要求,自然冷却和强制风冷更适用于储能电池模组。这是由于在方舱式储能系统中一般都会配置风冷空调以及相应的风道设计,空调运行后,冷空气会通过特制的风冷通道源源不断地进入电池箱内部,带走电池充放电所释放的热量,同时472023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计被加热的空气亦
9、会伴随空调的运行而被吸入空调内部,如图1所示。如此冷热空气循环交替,对方舱内部的环境温度进行合理的调控,保证电池所处环境适宜。同时通过开放空调通讯协议,用电池的温度控制空调启停,以实现高效节能的空调运行方案。2 储能模组散热导热方案在低倍率工况下,可通过空气自然流动带走电池充放电过程中散发的热量,但在一些中高倍率的产品中,由于充放电电流较大,仅仅依靠自然冷却不能将模组内部的热量快速有效地散发出去,极易造成热量在内部的堆积,进而影响电芯循环寿命,甚至带来安全隐患。因此强制风冷的散热方式更加适合中高倍率储能产品的应用场景。强制风冷散热模组的内部结构一般如图 2所示:在钣金电池箱体前面板上安置轴流风
10、机,电池箱体内部有若干电池包依次坐落于箱体底部,箱体后部顶端设计栅格形状的通风孔。轴流风机运行后,冷空气通过后部栅格形状的通风孔进入到箱体内部,从电池包顶部汇流排表面依次掠过。汇流排与电芯极柱通过激光焊接为一体,而充放电过程中电芯极柱位置是电流聚集处,亦是发热最严重的区域。并且汇流排的材质一般为铝质或者铜质,这两种材料均为热的良导体,其中纯铝的导热系数为 237 W/(mK),纯铜的导热系数为 401W/(mK)。因此,随着冷空气扫掠过汇流排,极柱端的热量会以汇流排为媒介散发到空气中,并伴随空气的流动而最终被风机抽吸到箱体外部,以此实现内部的冷热交换。在某些更加严苛的工况下,电池极柱端散热已经
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