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導(dǎo)熱界面材料與強制風冷在儲能模組內(nèi)的應(yīng)用

發(fā)布時間:2023-03-03 08:26:22| 瀏覽次數(shù)：

在電網(wǎng)系統(tǒng)中，電力的生產(chǎn)與消耗需要保持步調(diào)一致，但是由于風電、光電存在間歇性和隨機性的弊端，其發(fā)電狀態(tài)不穩(wěn)定、不可控，無法進行大規(guī)模存儲。

大容量儲能技術(shù)，既可以平滑風電、光電的功率波動，促進其大規(guī)模消納和接入，也可對電網(wǎng)進行調(diào)頻調(diào)峰，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的能力，這為風電以及光電的大規(guī)模發(fā)展掃清了障礙。

研究結(jié)果表明：在某些中高倍率應(yīng)用場景下，可以使用導(dǎo)熱界面材料和強制風冷冷卻雙管齊下的散熱方式；利用導(dǎo)熱界面材質(zhì)良好的填充效應(yīng)可以提升鋰離子電池模組的散熱能力，可為儲能電池模組熱管理系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1.儲能模組散熱方式

大容量電池模組作為集裝箱級儲能電站的能量載體，其研發(fā)設(shè)計包括以下幾項關(guān)鍵技術(shù)：系統(tǒng)集成技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，電子電氣設(shè)計技術(shù)，熱設(shè)計技術(shù)，安全設(shè)計技術(shù)。

其中，熱設(shè)計技術(shù)是大容量儲能電池模組開發(fā)中極為關(guān)鍵的一步。電池溫度的高低以及 PACK 內(nèi)部單體電池間溫度的均勻性是影響其性能和壽命的關(guān)鍵因素，因此，良好的熱管理策略可以有效控制電池的最高溫度，確保電池處于適宜的溫度范圍內(nèi)，均衡電芯間的溫度，為儲能電池高效、安全和長壽命運行提供有力的保障。

根據(jù)傳熱介質(zhì)的不同，電池模組的散熱冷卻方式可以分為自然冷卻、強制風冷、液冷以及相變冷卻。

自然冷卻、強制風冷和液冷這三種冷卻方式的基本原理都是冷卻介質(zhì)流經(jīng)發(fā)熱主體表面，由于兩者之間存在溫差，進而在兩者之間發(fā)生熱傳遞而將發(fā)熱主體的熱量帶走，在此過程中冷卻介質(zhì)沒有發(fā)生相的轉(zhuǎn)變；

而相變冷卻則是冷卻介質(zhì)在冷板中發(fā)生氣液相的轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變過程中能夠吸收熱量，將與其接觸的發(fā)熱主體的熱量帶走而起到冷卻主體的作用。表 1 為四種散熱方式的比較。

從表 1 可以看出，液冷和相變冷卻在冷卻能力和冷卻效率上都明顯高于自然冷卻與強制風冷，但是綜合考慮電池充放電工況、所處環(huán)境條件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、功耗和成本的要求，自然冷卻和強制風冷更適用于儲能電池模組。

這是由于在方艙式儲能系統(tǒng)中一般都會配置風冷空調(diào)以及相應(yīng)的風道設(shè)計，空調(diào)運行后，冷空氣會通過特制的風冷通道源源不斷地進入電池箱內(nèi)部，帶走電池充放電所釋放的熱量，同時被加熱的空氣亦會伴隨空調(diào)的運行而被吸入空調(diào)內(nèi)部，如圖1 所示。

如此冷熱空氣循環(huán)交替，對方艙內(nèi)部的環(huán)境溫度進行合理的調(diào)控，保證電池所處環(huán)境適宜。同時通過開放空調(diào)通訊協(xié)議，用電池的溫度控制空調(diào)啟停，以實現(xiàn)高效節(jié)能的空調(diào)運行方案。

2.儲能模組散熱導(dǎo)熱方案

在低倍率工況下，可通過空氣自然流動帶走電池充放電過程中散發(fā)的熱量，但在一些中高倍率的產(chǎn)品中，由于充放電電流較大，僅僅依靠自然冷卻不能將模組內(nèi)部的熱量快速有效地散發(fā)出去，極易造成熱量在內(nèi)部的堆積，進而影響電芯循環(huán)壽命，甚至帶來安全隱患。因此強制風冷的散熱方式更加適合中高倍率儲能產(chǎn)品的應(yīng)用場景。

強制風冷散熱模組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般如圖 2 所示：在鈑金電池箱體前面板上安置軸流風機，電池箱體內(nèi)部有若干電池包依次坐落于箱體底部，箱體后部頂端設(shè)計柵格形狀的通風孔。

軸流風機運行后，冷空氣通過后部柵格形狀的通風孔進入到箱體內(nèi)部，從電池包頂部匯流排表面依次掠過。匯流排與電芯極柱通過激光焊接為一體，而充放電過程中電芯極柱位置是電流聚集處，亦是發(fā)熱最嚴重的區(qū)域。

并且匯流排的材質(zhì)一般為鋁質(zhì)或者銅質(zhì)，這兩種材料均為熱的良導(dǎo)體，其中純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為 237 W/(m · K)，純銅的導(dǎo)熱系數(shù)為 401W/(m·K)。

因此，隨著冷空氣掃掠過匯流排，極柱端的熱量會以匯流排為媒介散發(fā)到空氣中，并伴隨空氣的流動而最終被風機抽吸到箱體外部，以此實現(xiàn)內(nèi)部的冷熱交換。

在某些更加嚴苛的工況下，電池極柱端散熱已經(jīng)不能滿足使用要求，需要輔助其他的散熱方式以提升系統(tǒng)整體的散熱效率，因此，我們將電池底面作為系統(tǒng)的另一個輔助散熱界面進行相關(guān)設(shè)計。

電池包一般直接坐落于箱體底部，而且箱體材質(zhì)多為冷軋鋼板，也是熱的良導(dǎo)體。通過電池底部與箱體的接觸，將電池內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)至箱體的表面，再進一步通過鈑金箱體表面與外界環(huán)境換熱，可以達到電池底部輔助散熱的目的。

但是，在實際的組裝過程中，電池包底部的輕微凹凸不平，同時疊加箱體底部平面度誤差的因素，會導(dǎo)致電池包與箱體之間不能緊密接觸，即電池包與箱體底部之間會存在細小的空氣間隙。而空氣是熱的不良導(dǎo)體，空氣間隙會增高電池包與箱體之間的熱阻，影響散熱效果，如圖 3 所示。

為了解決這個問題，急需尋找一種可以填充兩者接觸平面之間間隙的解決方案，降低目標原件對環(huán)境的熱阻，在電池底部和箱體之間創(chuàng)建一條低熱阻的對流路徑，確保均勻接觸和較高的傳熱效率。

在眾多方案中，導(dǎo)熱界面材料具有熱導(dǎo)率高和界面熱阻低的優(yōu)點，同時高變形量和良好的壓縮性使其可在一定壓力下排除接觸面間的空氣并充分填充接觸面間的粗糙區(qū)域，提高接觸面之間的熱傳導(dǎo)效果，其良好的填充性能可以將發(fā)熱端的熱量傳導(dǎo)至散熱端，如圖 4 所示。

導(dǎo)熱界面材料具有固體和液體兩種不同的形態(tài)，可以滿足產(chǎn)品性能多元化的要求。

(1)液體類導(dǎo)熱界面材料

液體類導(dǎo)熱界面材料一般為導(dǎo)熱膏，導(dǎo)熱膠等。這些液體形態(tài)的導(dǎo)熱材料可以直接涂抹到目標元件上，當作與散熱器的粘合劑。同時，這些材料還可以與陶瓷填料、金屬或金屬氧化物填料混合，獲得較高的導(dǎo)熱性。

(2)導(dǎo)熱硅膠墊片

導(dǎo)熱硅膠墊片是以硅膠作為主要基材，添加耐溫、導(dǎo)熱以及絕緣材料等各種輔助材料，通過特殊工藝合成的一種導(dǎo)熱界面材料。

不同于液體導(dǎo)熱材料，預(yù)成型的固體導(dǎo)熱硅膠墊片在使用上也非常簡單，可以根據(jù)需要的尺寸進行模切，適用于在平面元件上與散熱器接合或者直接附在外殼上。導(dǎo)熱硅膠墊片的粘貼可與自動化組裝過程集成為一體，進一步提升生產(chǎn)效率及自動化程度。

3.實驗驗證

考慮到儲能模組的組裝以及后續(xù)維修操作的靈活性，研究團隊最終選用了導(dǎo)熱硅膠墊片作為導(dǎo)熱界面材料填充電池包與箱體之間的間隙，其導(dǎo)熱系數(shù)為2 W/(m·K)，厚度為1 mm。

實驗所采用的電池模組為某公司開發(fā)的方形鐵鋰儲能電池模組，該模組由 3 個無間隙電池包組成，如圖 5 所示，技術(shù)參數(shù)如下：成組方式 12S2P，額定容量 340 Ah，標稱電量13.056 kWh，標稱電壓 38.4 V，額定倍率 0.5 CP(儲能產(chǎn)品一般為恒功率，因此是 0.5 CP)。

為了實時監(jiān)測電池充放電過程中的溫度變化，在圖 6 所示位置的匯流排上設(shè)置溫度傳感器，并通過電池管理系統(tǒng)(BMS)檢測匯流排的溫度。

由于電池包采用無間隙結(jié)構(gòu)，相鄰電芯幾乎貼在一起，導(dǎo)致電池包內(nèi)部散熱條件不是很樂觀。為了更加充分地體現(xiàn)電池包內(nèi)部的溫度，在指定位置的電芯之間增加熱電偶溫度監(jiān)測點，在電芯上粘貼熱電偶的位置如圖 7 所示。

在電芯與電芯接觸面接近正中區(qū)域用高溫膠帶固定 K 型熱電偶，測試時將熱電偶與數(shù)據(jù)采集器連接，即可實時監(jiān)測充放電過程中電芯與電芯接觸面區(qū)域的溫度。

在電池包內(nèi)部共布置 6 個熱電偶采溫點，如圖 8 所示。

為了對比分析導(dǎo)熱墊片的散熱效果，設(shè)計如圖 9 所示的兩個實驗進行對比。在其余條件完全相同的前提下，方案 1中三個電池包與鈑金箱體直接接觸，方案 2 中三個電池包與箱體之間增加導(dǎo)熱系數(shù)為 2 W/(m·K)、厚度為 1 mm 的導(dǎo)熱硅膠墊片。

在 25 ℃的環(huán)境溫度下，對圖 9 所示的實驗方案采用表 2中的測試工步，進行三次充放電測試。

同時記錄每次充放電結(jié)束后匯流排和電池包內(nèi)部溫度，得到表 3 和表 4。

4.結(jié)論

本文采用兩種方案進行對比測試，旨在探索分析導(dǎo)熱硅膠墊片在大容量方形鐵鋰電池模組中的應(yīng)用效果。

從方案 1和方案 2 的測試數(shù)據(jù)可以看出，BMS 采集到的匯流排的溫度之間沒有較大差異，而電池包內(nèi)部的溫度則表現(xiàn)出不同的特征，方案 2 中電池包內(nèi)部的溫度明顯低于方案 1。

由此得出結(jié)論：增加導(dǎo)熱墊片可以提升電池包與箱體之間的導(dǎo)熱速率，有效地向外傳導(dǎo)電池包內(nèi)部聚集的熱量，從而降低電池包內(nèi)部的溫度。

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