基于太阳能辅助热泵的锂离子电池组温度管理技术，用于提升系统性能

《Journal of Energy Storage》：Solar-assisted heat pump–based thermal management of a lithium-ion battery pack to improve system performance

　　鲁纳克·达吉|谢拉法特·迈哈米 伊朗库尔德斯坦大学机械工程系，可再生能源研究中心，太阳能能源研究实验室，萨南达吉，66177-15175 摘要：本研究在伊朗萨南达吉的气候条件下，探讨了一种基于水的锂离子电池冷却系统，该系统采用了新型流道设计，并与太阳能辅助热泵相结合。研究的主要目的是在提升整体系统效率和运行稳定性的同时，改善电池的热管理性能。实验结果表明，优化流道几何结构可显著降低压力损失并提高冷却效果。此外，还系统地研究了包括太阳辐射强度、环境温度、玻璃层数量、集热器面积、压缩机转速、冷凝器温度以及质量流量等关键操作参数的影响。从性能系数和环境适应性方面评估了R134a、R22、R1234yf和R410a这四种制冷剂的热力学性能。研究发现在不同的制冷剂类型和操作条件下，系统性能存在显著差异，其中R134a的综合性能最为均衡。模型验证结果显示与实验数据高度吻合。随着环境温度从5摄氏度升至35摄氏度，系统的性能系数从4.093上升至8.779，整体效率也从3.137提升到4.988。而当太阳辐射强度从300瓦/平方米增加到1000瓦/平方米时，性能系数虽从3.955上升至7.675，但循环效率却从7.238下降到了3.667。引言：随着锂离子电池在各种设备中的应用日益广泛，从低功耗电子设备到电动汽车，热管理已成为影响其安全性、性能和使用寿命的关键因素。这些电池在充放电过程中的工作温度必须控制在安全范围内，否则可能导致性能下降、加速老化，甚至引发火灾隐患。随着全球可再生能源，尤其是光热系统的广泛应用，由于这类能源具有间歇性，高效储能技术的重要性愈发突出。在各类储能技术中，锂离子电池因其高能量密度、大容量、成本效益高、循环寿命长以及环保等优点，在储能系统中发挥着重要作用[1]、[2]。不过，锂离子电池面临的最大挑战便是热管理问题[3]，因此在高温环境下，必须采用合适的热管理系统来为电池降温。近年来，人们研究了多种热管理方案，包括风冷[4]、[5]、[6]、液冷[7]、[8]、基于相变材料的冷却方式[9]、[10]、热管技术[11]、[12]，以及这些技术的混合应用。风冷系统结构简单、维护方便且成本低，但由于其散热能力有限且温度均匀性较差，通常无法满足大规模电池组的热管理需求[13]、[14]。为克服这些缺陷，一些研究人员试图通过优化气流分布来提升风冷效果。有研究通过数值模拟，探讨了装有环氧树脂基隔热层的锂离子电池模块的散热性能[15]，该模块由16个棱柱形电池单元组成，相邻电池单元之间设有环氧树脂基隔热层。在1摄氏度、2摄氏度和5摄氏度的放电速率下进行了三维数值模拟，结果表明，使用环氧树脂基隔热层可显著降低电池表面温度并提高各电池单元间的温度均匀性。在5摄氏度的放电速率下，电池表面最高温度可降低16摄氏度，而各电池单元间的温度差则可缩小约8摄氏度。与风冷系统相比，液冷方式的传热系数更高，散热效果更好。但这类系统往往会导致系统重量增加、结构更为复杂，而且还存在冷却液泄漏的风险，这些都会给电池热管理系统带来运营上的挑战，需谨慎考虑[16]。液冷系统一般可分为直接冷却和间接冷却两种类型，其中间接液冷系统因其机械可靠性高和运行优势而更受关注。在这种系统中，通常使用水乙二醇混合物作为冷却剂，其粘度远低于直接冷却系统中使用的矿物油，较低的粘度使得在相同的泵送功率下冷却液流速更高，从而提升了传热性能并提高了整个冷却系统的效率[17]。此外，由于液冷剂的导热性很高，这类系统能够实现对不同电池配置的精准温度控制。在密集排列的锂离子电池模块中，由于电池单元间距很小，因此可以集成间接液冷通道，进而提升传热效率并改善整体散热效果。此外，加入换热板还能进一步优化热管理系统的性能，有助于延长电池使用寿命[18]。还有研究针对棱柱形电池，采用了新型冷板结构，对蝶形设计的液冷通道进行了优化[19]，对比实验表明，这种设计在最大温度降低幅度、温度均匀性以及压力损失方面均优于传统通道结构。经过结构优化后，通道宽度被设定为9毫米，这使得电池最高温度可降至约32.72摄氏度，压力损失则减少了约29.1%。另外，增加冷却液的质量流量还能进一步降低电池温度，但在较高流量下，温度下降的速度会逐渐放缓。相变材料因其具有强大的潜热吸收和储存能力，且无需外部能量输入，因此被广泛认为是高效的电池热管理材料[20]。不过，尽管具有这些优点，相变材料也存在一些实际局限性，比如固液相变温度范围较窄、导热性较低、容易发生泄漏，以及对湿气的抵抗能力有限。此外，一旦材料进入液态，其冷却效果通常也会下降[21]。有研究将相变材料与金属泡沫结合，探讨了外部封装结构对锂离子电池热管理的影响[10]，共分析了五种不同的封装结构，这些结构会影响热传导和对流传热的特性。实验结果表明，在规定的放电条件下，三角形结构的电池温度最低，相比圆形封装，其温度可降低多达14.4%。此外，在对流传热系数较低且产热率较高的情况下，三角形结构的热管理性能也更优异。热管技术也因具有高热效率、良好的导热性能、结构紧凑以及使用寿命长等优点，被视为电池热管理的有效解决方案。增大传热表面积还能进一步提升其热性能，但目前仍存在一些局限性，比如封装要求复杂、在某些工作条件下导热性会下降，以及难以实现均匀的温度分布，因此需要通过精心设计和优化来确保其热性能达到理想水平[22]。有研究提出了一种结合热管和冷板的新型电池热管理系统[23]，实验结果表明，集成7根热管可显著降低电池的最高温度并提高温度均匀性。具体而言，在雷诺数为100的情况下，无量纲温度可降低21.7%，温度波动幅度则可减少16.4%。此外，热性能评估指标的值达到了1.3，说明该系统的整体热管理性能有了显著提升。这种设计方案为电池温度控制提供了紧凑高效的解决方案，相较于以往的研究取得了重大进展。二维材料及其异质结构被认为是先进电化学储能系统，尤其是可充电电池领域的有力候选材料[24]。近年来，大量研究致力于将石墨烯、MXenes以及其他纳米级层状材料等二维材料应用于锂离子电池及相关储能技术中[25]。与块体材料相比，二维材料在电化学储能方面具有诸多独特优势，比如较高的表面积与体积比、可调控的层间距离以及优异的平面内导电性。这些特性有助于实现高效的电荷传输和离子扩散，因此二维材料非常适合用于电池和超级电容器领域[26]。此外，将二维材料引入电池还可以提升其导热性、增强热稳定性，并改善电化学性能[27]。陈等人全面研究了二维材料在锂离子电池各关键组件中的作用，包括负极、正极、导电添加剂、电极与电解液界面、隔膜以及电解液本身，指出这些材料有望提升电池的性能和耐用性[28]。此外，近年来发展起来的原位表征技术，使得人们能够在实际工作条件下实时监测电池的温度分布、老化机制以及热行为[29]，这些技术为深入理解电池的热动态特性提供了帮助，也有助于开发出更有效的热管理策略。将热泵与光伏系统相结合，具有诸多优势，比如能提升效率、降低成本、安装灵活，还能更充分地利用太阳能[30]。太阳能驱动的热泵可以通过利用太阳能热能来提升其性能系数，尤其是在与智能控制策略或储能系统结合使用时效果更为显著[31]。太阳能热泵系统主要根据太阳能辅助的方式分为两类：直扩型太阳能辅助热泵和间接扩型太阳能辅助热泵。在直扩型系统中，太阳能集热器同时充当热泵的蒸发器，与工作流体直接进行热交换，因此结构更为简单，效率也更高[33]。而间接扩型系统中，制冷剂不会与集热器中的加热流体直接接触，而是通过另一种流体（通常是水或油）将热量传递给热泵的蒸发器。这类系统在供暖和供热水方面具有很大潜力，但结构更为复杂，维护成本也更高[34]。研究表明，直扩型太阳能辅助热泵系统能够实现显著的节能效果，其性能优于间接扩型系统[35]、[36]。此外，由于减少了中间部件，这类系统的热损失更低，也能实现更精确的温度控制。与此同时，也有研究探讨了将太阳能辅助热泵与光伏系统及储能单元结合使用，以进一步提升能源效率并增强应对负荷变化的能力[37]。实验表明，将太阳能辅助热泵与光伏系统结合使用，尤其是在气候条件多变的情况下，能够显著提升系统的性能系数[38]。不过，将太阳能辅助热泵直接与电池组结合，用于主动能量管理和冷却，目前仍处于发展初期。为提升光伏系统的自用率，有人开发出了一种结合锂离子电池、热存储装置以及热泵的混合系统[39]。为了便于对锂离子电池热管理及热泵系统的相关研究进行比较分析，表1总结了部分重要研究及其主要成果。如表1所示，大多数现有研究都是分别对电池冷却系统和热泵系统进行探讨，而在这两种系统同时集成并在特定气候条件下对其性能进行综合评估的研究还相对较少。鉴于维持锂离子电池处于最佳且均匀的温度状态的重要性，以及解决电池产热问题的需求，采用带冷板的液冷方式被视为最优方案。这种方法具有出色的传热能力、精准的温度控制功能，且适合紧凑型设计，能够提升系统效率、延长电池使用寿命，并保障运行安全。与风冷、相变材料以及热管等其他方案相比，液冷方式具有更高的热性能，且在高温和高负荷工况下也能保持更稳定的运行状态。据作者所知，本文首次提出了一种创新且集成化的设计方案，即直接将基于水的电池热管理系统整合到直扩型太阳能辅助热泵系统中。这种方案不仅大幅提升了系统的能源效率与传热性能，还能实现更精确的温度控制，并延长电池使用寿命。为了对该先进系统进行详细分析和性能优化，研究者们使用了MATLAB和COMSOL Multiphysics软件，对多层面的传热过程进行了全面的建模与仿真。本研究是朝着开发高效、可持续且具有成本效益的锂离子电池冷却系统迈出的重要一步，有望为电动汽车和能源存储行业带来变革性影响。为克服以往研究中的局限性，本研究探讨了一种集成太阳能辅助的电池热管理系统，该系统将太阳能驱动的热泵直接与电池冷却回路相连。研究重点在于优化冷却通道的几何结构，以在减少水力损失的同时提升散热效率。通过全面的参数研究，分析了太阳辐射强度、环境温度以及热泵运行参数对所提系统热性能和能量性能的影响。此外，还系统地评估了四种制冷剂（R134a、R22、R1234yf和R410A）的性能，并对其在电池热管理应用中的适用性进行了比较。为准确预测耦合传热和流体流动现象，研究人员利用MATLAB和COMSOL Multiphysics建立了数值模型，并通过实验数据对其进行了验证。这一建模框架能够详细评估系统的性能，为在不同运行条件下提升性能系数、冷却效果及整体能源效率提供定量分析依据。

在本研究探讨的循环系统中，锂离子电池被用于储存太阳能，同时搭配螺旋式换热器以及直膨胀型太阳能辅助热泵（DX-SAHP）。DX-SAHP由作为蒸发器的光伏集热器、旋转压缩机、冷凝器以及膨胀阀组成。如图1所示，水作为冷却介质，流入锂离子电池组内的铝板中。离开电池后，水流经……

为预测所研究系统的热性能，研究人员基于以下假设建立了简化的数学模型：•所有系统组件均在稳态条件下进行模拟；•假设制冷剂在压缩机内的压力升高遵循多项式过程；•假设制冷剂经过膨胀阀时的压力降发生在恒焓状态下；•假设换热器以及电池后部和侧面存在的压力损失……

锂离子电池冷却研究的目的是探讨以水作为冷却介质时的电池热管理方式。研究采用了COMSOL Multiphysics软件来模拟电池冷却过程。首先在软件环境中构建了电池的几何结构，其尺寸为100×100毫米的正方形，厚度为2毫米。本研究考虑了两种不同的冷却通道配置。如图所示……

结论：本研究探讨了将液体冷却与太阳能辅助热泵相结合的方法，用以调节锂离子电池的温度，从而提升系统效率与运行稳定性。当太阳辐射强度从300瓦/平方米增加到1000瓦/平方米时，R134a制冷剂的性能系数提升了94%，R22提升了86%，R410A提升了40%，R1234YF提升了81%；而整个系统的效率则下降了49%至56%，不过其有效能效率有所上升，增幅在0.53%至4.31%之间。当环境温度从5摄氏度上升到35摄氏度时，各类制冷剂的性能系数提升了75%至116%……

作者贡献说明：Roonak Daghigh负责写作——审阅与编辑、验证、监督、软件应用、方法设计、研究实施、正式分析、概念构思以及初稿撰写；Sherafat Maihamy负责初稿撰写、软件应用、方法设计、研究实施、正式分析以及数据整理工作。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。