SSB蓄电池相变材料强化电池冷却系统中配置与运行参数的数值研究

2026-03-10 20:18:10

摘要

电动汽车的兴起使得锂离子电池需要有效的热管理系统以降低热失控风险。本研究探讨了锂离子电池/相变材料（LIB/PCM）系统在充放电循环过程中的热管理挑战。通过采用FLUENT软件进行模拟，评估了LIB/PCM系统在300分钟时长内的热性能表现。关键分析因素包括电池热管理系统（BTMS）结构、外壳材料、PCM配置、传热系数及充放电速率。结果表明：BTMS的II型结构显著延缓了温升速率，将相变持续时间延长至260分钟，同时保持1.8°C以内的温差。此外，铝制外壳展现出更优异的散热能力，其平均电池温度较环氧树脂材料降低了20.5%。在所评估的相变材料配置中，RT35展现出优异的初始温度控制能力，但缺乏长期稳定性；而RT42则表现出相反的特性。混合相变材料配置有效平衡了两种材料的优势。此外，研究还发现充放电速率的提升会导致电池温度升高，当速率达到3C时，温差超过4°C。总体而言，本研究为优化电池热管理系统提供了重要见解，从而提升安全性并延长其运行寿命。

引言

锂离子电池（LIBs）的热管理对于优化其性能、安全性和使用寿命至关重要，特别是在电动汽车和可再生能源存储系统等高功率应用中[1]。与LIBs相关的主要挑战之一是在运行过程中产生过多热量，这会损害电池性能、加速退化，并带来热失控等安全隐患[2,3]。因此，有效的热管理策略对于确保LIBs的最佳性能至关重要[[4], [5], [6]]。与此同时，包括可再生能源、建筑和汽车行业在内的多个领域对先进相变材料（PCMs）的需求日益增长[[7], [8], [9]]。随着对能源效率和可持续解决方案的关注不断增加，PCMs因其提供的有效热管理能力能够提升系统性能和可靠性而得到广泛应用[10]。
热管理策略可分为三大类型：空气冷却、液体冷却与相变冷却[[11], [12], [13]]。空气冷却结构简单且成本效益显著，但在高热负荷及高温工况下表现欠佳[14,15]。液体冷却具备更优的导热能力，却因系统复杂度增加导致重量与成本上升[16]。相变材料（PCM）冷却通过相变过程中的能量吸收与释放实现创新性热管理，可提升电池效率与安全性能[[17], [18], [19]]。然而相变材料存在导热系数偏低（<0.5 W/m·K）的固有特性限制了其在电池热管理系统中的应用效果，导致整体冷却效率降低[20,21]。为突破这一局限，研究人员探索了多种提升相变材料导热性能的技术[22,23]。例如Lin等[20]通过构建MXene纳米片与碳纳米管的复合相变材料体系，在提升导热系数与热稳定性的同时，使电池温度分布显著改善——在不同放电倍率下分别实现28.13%、18.92%和11.83%的电池寿命延长。尽管微米颗粒技术取得了进展，但使用此类复合材料可能导致成本上升以及与纳米材料合成和处置相关的潜在环境问题等挑战。除添加导热填料外，提升相变材料导热性能的另一途径是通过设计板翅结构[[24], [25], [26], [27]]。Wang等[28]率先提出采用翅片与金属冷壳体对圆柱电池进行热管理，Yang等[29]研究了金属与丙烯酸外壳材料对圆柱形电池热性能的影响。其开创性工作启发了后续研究，例如Sun等人[30]和Weng等人[31]开发的新型相变材料-金属翅片构型。特别值得注意的是，Wagh等人[26]探究了配备相变材料及内外翅片的单体锂离子电池传热行为，发现当环境温度为30°C时，六片内置翅片可使电池温度降低0.63°C，相变材料温度降低0.73°C。此外，Akula等人[32]对18,650型锂离子电池系统中的针状翅片进行研究，结果表明具有260个针状翅片（长度1 mm）的散热器在所有参数条件下均展现出最优热性能。Ismail等人[33]则验证了不同翅片几何结构的模型，指出小规模系统中改进有限，而大规模系统性能存在差异——9片垂直翅片在480秒放电时间表现最佳，但在720秒时效果最差。然而，对鳍状结构的依赖会使制造工艺复杂化，并可能导致重量增加，这可能对电池系统的整体效率产生负面影响。
尽管现有研究已探讨不同极板结构和运行参数对热管理的影响，但对于各类电池热管理系统（BTMS）构型与相变材料（PCM）排布方式之间的相互作用机制，学界仍存在显著认知空白。全面解析这种交互关系对开发优化热管理策略至关重要。为此，本研究通过系统评估五种BTMS构型（结构I-V）对热性能的影响，同时考察相变材料配置、外壳材料、充放电速率及传热系数等多重因素，旨在填补上述研究空白。通过分析这些相互关联的变量，本论文试图为实际工况下更高效、更安全的锂离子电池系统设计提供具有推进意义的见解。