使用相变材料的瞬态集成SSB蓄电池和电力电子系统的热管理

2026-08-13 22:03:25

锂离子电池与电力电子设备集成提升了体积、灵活性和多功能性，但由于其工作温度差异，也带来了热管理上的挑战。本文评估了电池相变材料（PCMs）集成系统在高（10°C）和低（1°C）电池放电速率下的瞬态热特性。开发并实验验证了系统的瞬态三维热模型，以评估集成系统在瞬态热产生下的性能。该模型超越了主要关注稳定发热和电池过热的研究，还评估了两个关键指标：系统的延迟时间（），即电池或转换器过热前的工作时间，以及电池表面的最大温差（).结果表明，PCMs的水平热导率会被提升 （与加热面平行）通过延伸系统持续受益以及约化无论是低放电还是高放电率。然而，垂直热导率会增加 并不总是增强.的最优值取决于电池放电率：常数2.5瓦米⁻¹K⁻¹，最优在2542秒处观测到。= 0.4 W m⁻¹K⁻¹在1C放电率和273秒时= 2.5 W m⁻¹K⁻¹放电率为10摄氏度。在1C放电率下，通过增加PCM厚度，可以持续延长。然而，在10°C放电速率下，当PCM厚度超过15毫米时，这种增强可忽略不计。更厚的PCM还能提升电池的温度均匀性。

 

电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）在道路交通脱碳方面发挥着关键作用[1]。在电动汽车电池技术中，锂离子电池（LIB）因其高能量密度、高比能、高开路电池电压、安全特性、长寿命以及环境工作温度范围而被青睐[2]。然而，LIB的性能和寿命会受到运行温度的显著影响。极端情况，比如气温超过50度或低于15，或温度不均匀性大于5，可能导致LIB的性能和容量显著下降[3]。此外，这些极端温度在温度超过90度时可能发生热失控，带来严重的安全风险[4].
当LIBs在最佳温度范围（25–40）之外运行时，容量和循环寿命会显著下降[5]），尤其是在高电流放电速率和快速充放电循环下。Huang等人[6]观察到，LIBs在4°C放电速率下产生的热量几乎是0.5°C速率的40倍，加剧了电化学反应的不均匀性。Bhattacharjee等人[7]证明电池温度超过50在放电过程结束时，速率为2摄氏度，而实际流量仅达到35以0.5摄氏度的速率。Zheng 等人[8]发现，高放电电流会导致电池主动材料显著损耗和性能退化，600周期后10C放电率（13.96%）容量损失远高于1C放电率（2.26%）。商业锂离子电池通常能耐受高放电速率，连续5C–10C或脉冲10C–20C[9,10]。鉴于电动汽车的多样驾驶条件，能够管理广泛放电速率的强健电池热管理（BTM）系统对于确保锂电电池的长期性能和使用寿命至关重要[7]。
另一方面，新兴的异构集成技术使电池与电力电子设备集成成为可能，为电动汽车应用提供了紧凑且多功能的能源解决方案[11,12]。与传统电池和电力电子独立工作的能源供应系统不同，集成系统具有减轻重量、增加紧凑度、可扩展性、多功能、多级输出电压、增强电池单元平衡、降低成本以及提升系统可靠性和效率等优势[11,13]。然而，将电池与电力电子结合带来了热管理的新挑战。LIB需要在25–40°F的期望温度范围内运行[5]，而电力电子设备，例如电力转换器，通常可以在更高温度下工作，超过80–100[14,15]。直接积分使电池暴露在极端温度下，可能导致过热和热问题，进而降低电池性能和整体系统可靠性[13,16]。这种整合还加剧了电池表面温度不均匀，尤其是在直接接触电力电子设备与远离这些区域的区域之间。此外，工作温度高，例如超过80华氏度，因为电力电子设备会显著降低其效率和性能[14,15]。因此，先进的热管理策略对于集成系统至关重要，以有效隔离电池免受电力电子产生的热量影响，并高效冷却两个部件，从而确保电池和电力电子设备在安全温度范围内运行。
当前关于电池集成系统与电力电子的研究主要集中在物理设计、电力电子中的拓扑结构、电池单元平衡以及系统效率评估[[17]， [18]， [19]， [20]， [21]]。例如，Balachandran等人[18]开发了电池集成模块化多电平转换器，并研究了子模块数量增加如何影响最大直流充电功率。Quraan等人[19]报告了嵌入式电池单元的模块化多层拓扑，通过模拟和实验评估电池单元的平衡和多层转换器的效率。尽管取得了这些进展，关于集成系统的热性能研究仍然有限，尽管一些研究强调了热管理对这些系统的重要性[16,19]。
大量研究探讨了电池或电力电子设备在独立运行时的热行为和热管理。现有的独立电池组或电力电子设备的热管理策略主要包括空气、液体、热管或相变材料（PCMs）[3,4,22,23]。然而，将这些热管理技术应用于集成系统面临诸多挑战，诸如电池过热风险、结构复杂性、空间限制、重量考虑以及紧凑性的需求[16]。克服这些挑战对于充分发挥集成系统潜在优势至关重要。
被动PCM方法由于其温差范围狭窄且相变过程中潜热大，可以在无需额外电源的情况下实现更高的温度均匀性和温度控制[24]。PCM方法在电池组热管理方面已被广泛研究。纯PCM的低热导率（通常为0.1–0.3 W m）⁻¹K⁻¹[25]）是其应用的主要限制。这一挑战可以通过将纯PCM与具有高热导率的材料结合来解决，例如膨胀石墨（EG）、金属泡沫或纳米颗粒[[25]， [26]， [27]]。PCM中的相变过程也可以通过对领域长宽比[28]和方向[29]的精确控制得到增强。鉴于PCM在电池热管理领域的广泛研究，基于PCM的热管理应用于电池和电力电子集成系统具有潜力。
在我们之前的研究中，我们首次尝试通过研究夹在两个稳态热源之间的PCM热传导过程，模拟一个大电阻代表电池和一个小电阻代表转换器，来填补集成系统热管理中的这些重要知识空白[30]。研究重点关注大电阻（电池）的最大安全温度，该电阻决定了系统的运行时间。系统分析了影响稳定凝视热源下系统性能的关键参数。然而，在实际应用中，电池以不同的放电速率的瞬态热产生模式工作。集成系统通常会根据不同的运行需求，如实际电动车的正常驾驶和加速阶段，经历不同的电池放电速率。在瞬态条件下，集成系统可能表现出与稳态条件不同的行为。电池的温差也会影响系统的稳定性。此外，电力电子的运行温度限制对系统的可靠性和稳定性至关重要。因此，瞬态集成系统的安全运行不仅需要解决电池过热（这是现有文献的主要关注点），还要同时解决电力电子设备的过热和过高的温度梯度，而这些问题在现有文献中很少被研究。
总之，为了超越现有关于稳定热源[30]的研究和对集成系统中避免电池过热的狭隘关注，本文研究了一组由真实电池单元和转换器（通过电阻模拟以更精确控制热量产生）结合PCM热管理的集成系统更广泛的瞬态热行为。通过实验验证的瞬态三维数值模拟，量化并讨论了关键参数对系统安全运行持续时间的影响，包括电池和电力电子设备的过热情况，以及电池表面温度均匀性，无论是低（1C）还是高（10C）电池放电率。该参数研究的结果反过来指导集成系统设计的优化。第二节介绍了整合系统的数值模型，第三节描述了验证模型的实验装置。