SSB蓄电池采用AlSi10Mg、316L不锈钢、CuCr1Zr泡沫金属与相变材料增强熔融与散热的锂离子电池冷却研究
2026-03-27 10:48:01
热管理对电动汽车锂离子电池效率至关重要，高温会加速电池老化、降低功率并带来安全风险。本研究探究了相变材料（PCM）与金属泡沫（AlSi10Mg、316L不锈钢及CuCr1Zr）结合增强电池散热的方案。通过ANSYS Fluent进行数值模拟，分析了4C放电倍率（10,000 mA）下252,668 W/m的热生成率对应的相变过程、温度分布及流动动力学特性3在所研究的材料中，CuCr1Zr泡沫凭借其高导热系数（310–340 W/m·K），与纯相变材料相比可使电池温度降低15%，并在3600秒时实现近90%的相变材料液相分数。AlSi10Mg（111–260 W/m·K）和316L不锈钢（16.3–21.5 W/m·K）虽能增强冷却效果，但效能较低。CuCr1Zr-相变材料复合材料产生的对流强度是纯相变材料的2–3倍，从而显著强化了传热过程。此外，通过CuCr1Zr获得的优化努塞尔数和提升的热通量证实了其卓越的热性能。CuCr1Zr-相变材料复合材料在电动汽车电池热管理领域展现出巨大潜力，可改善相变材料熔化过程、温度均匀性和安全性，有效应对高倍率电池运行带来的热管理挑战。
引言
全球亟需淘汰造成严重污染、温室气体排放及化石燃料储备枯竭的传统燃料汽车，这一需求推动了电动汽车（EVs）的快速崛起。由于其零排放特性，电动汽车已成为可行替代方案，从而被广泛采用并融入现代交通系统[1][2]。温度是限制锂离子电池（LIBs）性能和寿命的主要挑战之一。在高温或不受控温度下运行会加速老化、增加功率损耗，并将电池活性材料转化为非活性状态，同时产生其他有害影响[3][4][5][6]。目前已研究多种电池热管理策略（BTMS），包括间接液体冷却[7][8]、直接浸没式液体冷却[9][10]、强制与自然对流空气冷却[11][12]、相变材料（PCM）冷却[13][14]以及混合冷却系统[15][16]。针对单体电池和电池组的热管理问题，已通过计算与实验研究进行了广泛探索。例如，Qi等人[17]提出了一种采用瑞士卷结构的微通道热管理系统（TMS），实现了3.3K的最大温差和Tmax在300.4K条件下表现优于传统系统。Zhao等[18]采用了两种策略：(1)设计多个短蛇形通道以缩短冷却流道长度，(2)增大冷却板与电池流道间接触角。该电池模组的温差分别降低了2.2K和0.7K。Yu等[19]重构了含骨架微孔与不含微孔的真实三维金属泡沫结构，并进行了孔隙尺度各向异性流动模拟(0.5-2.5m/s)。研究发现骨架微孔会使压降增加11.3-11。7%，且三个正交方向存在显著各向异性（Y方向压降最高，较其他方向高出31.6-36.8%）。-direction取决于结构）。Yang等[20]研究了定向骨架微孔对流动与传热的影响。相较于无微孔结构，X方向微孔使压降降低4.5–6.5%，传热系数提升1.4–3.3%，综合传热性能改善3.0–5.6%；而Y方向微孔则轻微增大压降，仅带来微弱的传热增强。-direction depending on the structure). Yang et al. [20] investigated the effect of directional skeleton micropores on flow and heat transfer. Compared with the no-micropore structure, X-direction micropores reduced pressure drop by 4.5–6.5%, increased heat transfer coefficient by 1.4–3.3%, and improved comprehensive heat transfer performance by 3.0–5.6%, while Y-direction micropores slightly increased pressure drop and gave only minor heat transfer improvement.
Yang等[21]通过数值模拟研究了液态金属作为电池冷却剂的应用。由于其高热导率、热容及相对较低的粘度，液态金属表现出优于水的冷却性能，尤其在降低电池组热不均匀性方面表现突出（液态金属为2.31°C，水则为3.13°C）。Kizilel等[22]采用相变材料冷却技术对极端工况下的锂离子电池进行热管理，证明该技术可加速放电过程中的散热并提升温度稳定性，从而延长电池寿命。类似地，Xin等[23]探究了相变材料系统在严苛极端工况下对锂离子电池的热控制效果，并将其性能与传统风冷技术进行了对比。他们的研究结果表明，与主动式空气冷却系统相比，基于相变材料（PCM）的方法在放电阶段显著加速了热量耗散。此外，该系统在整个运行过程中保持相对恒定的电池温度，有效降低了热应力，从而延长了电池使用寿命并提高其长期耐久性。其他研究则聚焦于微通道冷板和翅片结构设计。Qian等学者[24]强调冷却液流速、流向与流道直径对热性能具有决定性影响，而[25]证明蛇形单流道设计相比双流道或平行多流道构型能实现更优异的热效率。Liu等[26]通过ANSYS模拟评估了带有螺旋翅片与相变材料的单体电池，表明螺旋翅片可提升温度均匀性并降低电池峰值温度；例如将螺旋宽度从2毫米增至8毫米时，温度从41.27°C降至39.9°C。Ibrahim等[27]研究了圆柱形锂离子电池的蛇形微通道板冷却方案，该方案在2C放电倍率下能有效维持温度低于50°C，但无法实现5°C以内的温差。这些研究突出表明，对于电动汽车中可规模化应用的液冷方案而言，能源效率与温度均匀性仍是关键考量因素。
尽管已有研究[9]-[15]探索了相变材料-金属泡沫复合材料在电池冷却中的应用，但这些研究普遍忽视了增材制造技术在定制泡沫孔隙率与材料组分方面的作用。本研究通过模拟三种增材制造的特制泡沫（AlSi10Mg、316L不锈钢和CuCr1Zr），揭示了材料特异性对强化对流传热（较纯相变材料提升2-3倍）与相变行为的影响，填补了该领域研究空白，为下一代可扩展电池设计奠定了技术基础。相较于传统相变材料冷却系统存在的导热性能差、散热速率低等缺陷，本研究通过结构优化方法，系统研究了三种热优化金属泡沫（AlSi10Mg、316L不锈钢和CuCr1Zr）的独特热增强性能。
本研究提出了一种结合焓-孔隙度法与多孔介质建模的详细数值框架，用于探究相变材料-金属泡沫复合材料在电池热管理应用中的热行为。该研究特别致力于量化金属泡沫在提升有效导热系数、改善温度均匀性以及缓解瞬态热峰值方面的作用，同时论证多孔结构内部自然对流的影响可忽略不计。与加速相变材料完全熔化或将其作为持续热管理的独立解决方案不同，本研究将相变材料-金属泡沫复合材料视为一种热缓冲系统，其设计目标是在短时、高功率或峰值负荷工况下延缓临界温度的到来。针对不同金属泡沫材料与孔隙率的系统性对比分析，旨在阐明其对相变动力学、空间温度分布以及局部热点抑制的影响机制——这些因素正是电池系统中加速性能衰退与热失控的关键诱因。最终，本研究致力于通过提出一种可扩展、材料特异性且物理一致性强的设计方法论，构建增材制造金属泡沫设计与储能系统先进热管理之间的跨链桥。该方法适用于混合冷却策略，其中基于相变材料的组件并非取代主动或对流散热机制，而是作为其补充。
