导热界面材料与强制风冷在储能模组内的应用_王文文.pdf

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 Wenwen1,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 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 cooling 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 energy 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不能满足使用要求，需要辅助其他的散热方式以提升系统整体的散热效率，因此，我们将电池底面作为系统的另一个辅助散热界面进行相关设计。电池包一般直接坐落于箱体底部，而且箱体材质多为冷轧钢板，也是热的良导体。通过电池底部与箱体的接触，将电池内部的热量传导至箱体的表面，再进一步通过钣金箱体表面与外界环境换热，可以达到电池底部辅助散热的目的。但是，在实际的组装过程中，电池包底部的轻微凹凸不平，同时叠加箱体底部平面度误差的因素，会导致电池包与箱体之间不能紧密接触，即电池包与箱体底部之间会存在细小的空气间隙。而空气是热的不良导体，空气间隙会增高电池包与箱体之间的热阻，影响散热效果，如图3所示。为了解决这个问题，急需寻找一种可以填充两者接触平面之间间隙的解决方案，降低目标原件对环境的热阻，在电池底部和箱体之间创建一条低热阻的对流路径，确保均匀接触和较高的传热效率。在众多方案中，导热界面材料具有热导率高和界面热阻低的优点，同时高变形量和良好的压缩性使其可在一定压力下排除接触面间的空气并充分填充接触面间的粗糙区域，提高接触面之间的热传导效果，其良好的填充性能可以将发热端的热量传导至散热端，如图4所示。导热界面材料具有固体和液体两种不同的形态，可以满足产品性能多元化的要求。(1)液体类导热界面材料液体类导热界面材料一般为导热膏，导热胶等。这些液体形态的导热材料可以直接涂抹到目标元件上，当作与散热器的粘合剂。同时，这些材料还可以与陶瓷填料、金属或金属氧化物填料混合，获得较高的导热性。(2)导热硅胶垫片导热硅胶垫片是以硅胶作为主要基材，添加耐温、导热表 1 四种散热方式的比较 散热方式 自然冷却 强制风冷 液冷 相变冷却 使用 容易 容易 适中 容易 安装 容易 容易 适中 适中 冷却能力 高于环境温度 高于环境温度 低于环境温度 高于环境温度 均匀性 低 低 高 低 密封性 困难 困难 容易 容易 维护性 低 低 适中 适中 冷却原理 空气自然对流 空气强制对流 液体强制对流 相变冷却对流 对流换热系数/W(m2K)-1 525 25100 50015 000 2 50025 000 表面热流密度/(Wcm-2)(与环境温差10)0.0050.025 0.0250.150 0.50015.000 2.50025.000 图1集装箱内部风冷原理示意图图2强制风冷散热模组内部结构原理示意图图3电池包与箱体之间间隙接触示意图图4电池包与箱体之间紧密接触示意图482023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计以及绝缘材料等各种辅助材料，通过特殊工艺合成的一种导热界面材料4。不同于液体导热材料，预成型的固体导热硅胶垫片在使用上也非常简单，可以根据需要的尺寸进行模切，适用于在平面元件上与散热器接合或者直接附在外壳上。导热硅胶垫片的粘贴可与自动化组装过程集成为一体，进一步提升生产效率及自动化程度。3 实验验证考虑到储能模组的组装以及后续维修操作的灵活性，研究团队最终选用了导热硅胶垫片作为导热界面材料填充电池包与箱体之间的间隙，其导热系数为2 W/(mK)，厚度为1 mm。实验所采用的电池模组为某公司开发的方形铁锂储能电池模组，该模组由 3个无间隙电池包组成，如图 5所示，技术参数如下：成组方式 12S2P，额定容量 340 Ah，标称电量13.056 kWh，标称电压38.4 V，额定倍率0.5 CP(储能产品一般为恒功率，因此是0.5 CP)。为了实时监测电池充放电过程中的温度变化，在图 6所示位置的汇流排上设置温度传感器，并通过电池管理系统(BMS)检测汇流排的温度。由于电池包采用无间隙结构，相邻电芯几乎贴在一起，导致电池包内部散热条件不是很乐观。为了更加充分地体现电池包内部的温度，在指定位置的电芯之间增加热电偶温度监测点，在电芯上粘贴热电偶的位置如图 7所示。在电芯与电芯接触面接近正中区域用高温胶带固定K型热电偶，测试时将热电偶与数据采集器连接，即可实时监测充放电过程中电芯与电芯接触面区域的温度。在电池包内部共布置6个热电偶采温点，如图8所示。为了对比分析导热垫片的散热效果，设计如图 9所示的两个实验进行对比。在其余条件完全相同的前提下，方案 1中三个电池包与钣金箱体直接接触，方案 2中三个电池包与箱体之间增加导热系数为2 W/(mK)、厚度为1 mm的导热硅胶垫片。在 25 的环境温度下，对图 9所示的实验方案采用表 2中的测试工步，进行三次充放电测试。同时记录每次充放电结束后汇流排和电池包内部温度，得到表3和表4。4 结论本文采用两种方案进行对比测试，旨在探索分析导热硅胶垫片在大容量方形铁锂电池模组中的应用效果。从方案1图5产品结构示意图图6储能电池模组汇流排温度布置结构示意图图7储能电池模组汇流排温度布置结构示意图图8储能电池模组内部温度布置结构示意