邱健蓄电池采用翅片与相变材料的混合电池热管理系统研究

插电式混合动力汽车采用锂离子电池，因其自放电率低、能量密度高且循环寿命长。然而，锂离子电池的热性能受其工作温度及控制热量向环境散发的设计参数显著影响。有效的电池热管理可防止性能衰减、延长使用寿命，最重要的是确保运行安全。本研究探究了采用翅片与相变材料（PCM）的混合电池热管理系统（BTMS）的散热性能。该系统由圆柱形BTMS构成，其外部与内部翅片附着于六颗呈环形排列的大容量21700锂离子电池。通过自制实验台开展试验，验证了本研究开发的混合BTMS三维数值模型。利用所开发的数值模型，研究了关键参数（电池倍率、相变材料用量及强制对流空气流速）对电池热管理系统（BTMS）热性能的影响。结果表明：在自然对流条件下，混合型BTMS相较于传统电池配置可降低单体电池最高温度41%，并显著改善单体间的温度均匀性。内置翅片作为电池与相变材料之间的高效热界面，有效强化了传热过程。此外，研究发现周向外部翅片在降低电池间温度梯度方面优于纵向翅片。基于上述结果可得出结论：即使不采用强制对流，基于相变材料的混合型BTMS在2C放电倍率下仍能将电池温度维持在40°C以下，这显示出其在缓解锂离子电池热失控方面具有重要应用潜力。

图文摘要

引言

当前大多数汽车和发电机都依赖于稀缺的化石燃料运行。搭载内燃机（ICEs）的车辆会排放温室气体、硫氧化物和悬浮颗粒物（可吸入颗粒物），这些物质均对人体健康有害[1][2][3]。由于这种环境破坏，全球气候正发生剧烈变化。2022年，汽车领域直接贡献了29%的二氧化碳排放量₂燃料燃烧排放物[4]。
电动汽车(EV)凭借其零尾气排放、较低的NVH(噪声、振动与声振粗糙度)水平以及维护成本低等优势[5][6]，已成为燃油动力车辆的有效替代方案。随着绿色出行理念的推进，电动出行市场高度依赖锂离子电池。根据印度国家转型委员会(NITI Aayog)的建议，到2030年印度汽车领域电动汽车渗透率预计将达到30%[7]。锂离子电池具有寿命长、功率重量比高及能量密度大等特点[8]，但其成本高昂、对热条件高度敏感以及长期使用产生的电子废弃物堆积等缺陷也不容忽视[9]。此外，在电池充放电过程中，由于欧姆焦耳热效应、可逆熵热效应及其他化学反应会产生大量热量[10][11]。
为实现锂离子电池的最佳性能，其工作温度需维持在15至40°C之间[12]。高温运行会加速电池老化，而低温条件下，电池内阻增大将导致电压掉落及容量衰减[13]。锂离子电池虽具有高能量密度可延长续航里程，但同时也需更长的充电时间。为缓解充电时长问题，合理提升电池充电倍率成为有效解决方案。电动汽车的另一关键需求在于实现电池组件与冷却回路的小型化，以满足现代车辆对高功率重量比的追求。为提升电池性能，通常需配备电池热管理系统（BTMS）进行温度调控。BTMS必须解决前述锂离子电池的所有技术挑战，并成为推动交通领域从内燃机（ICE）向电动汽车转型的核心要素[14][15]。
众多学者已对结合主动/被动冷却[16][17]与散热装置[18][19][20]的各类电池热管理系统（BTMS）设计方案展开研究。现有文献主要关注低放电倍率下的电池性能分析，而高放电倍率工况的研究则鲜有报道[21]。直接式、间接式及微通道等液冷技术在BTMS中已获得广泛应用[22]。尽管液冷BTMS具有较高的传热系数，但其需要消耗大量寄生功率驱动冷却液循环，同时会增加电池重量[23]。相比之下，热管与相变材料（PCM）等被动冷却系统以零寄生功耗、无运动部件及静音运行等优势著称[13]。相变材料能在窄温域内吸收大量潜热，从而将系统温度稳定控制在其相变温度附近[24]。Avik等[25]开发了一种基于相变材料(PCM)的电池热管理系统(BTMS)，研究指出添加相变材料可实现电池在高倍率下的安全运行，因其有助于调控电池温度。然而，相变材料固有的低导热特性可能导致传热阻力增加——若其用量未经优化配置。
多项研究探讨了采用石墨烯、金属泡沫/网格等导热增强剂(TCEs)来提升相变材料(PCM)的有效导热系数[26][27][28]。这些添加剂均为碳基或金属基材料。例如，Zhong等[27]通过添加5-7%的石墨烯使PCM导热性能显著提升，在5C放电倍率下将系统温升控制在仅4°C。Zhang等[29]则开发了微胶囊化相变材料(MPCM)浆体——一种MPCM与碳化硅(SiC)的混合物，用以增强PCM的导热性能。实验测量数据表明，混合材料中碳化硅（SiC）含量的增加会导致其潜热值降低。当SiC添加量从0%增至3%时，混合物热导率呈线性上升趋势；然而继续添加至4%时热导率反而下降。尽管石墨或金属颗粒的掺入可通过提高相变材料（PCM）的热导率来增强其性能，但由于密度差异导致的颗粒沉降或上浮现象，使得这些添加剂在循环运行过程中失效[28]。
采用带有翅片散热器和相变材料的混合系统是电池热管理系统（BTMS）的重要方案，电池的热特性显著受翅片数量、形状及厚度的影响[30][31]。Zare等[32]通过数值模拟研究了采用相变材料与内外翅片结构的BTMS在不同放电倍率下的热性能表现。其设计的BTMS在3C和5C放电倍率下分别实现了电池表面温度降低9.9℃与17.5℃的效果。Sodhi等[33]研究了采用散热器的被动冷却电池充电器，通过中断式倾斜/直翅片和针状翅片等多种翅片拓扑结构实现峰值负荷削减。他们通过实验探究了不同热负荷下相变材料（PCM）用量的变化规律，并得出以下重要结论：(i) 采用PCM的混合式散热器比裸翅片散热器具有更优的冷却效能；(ii) 当PCM用量超过阈值时，散热器热阻增大，导致电池充放电性能下降。Bao等[34]提出了一种三重周期最小表面与PCM复合结构，相较于单一PCM方案和翅片-PCM电池复合方案，该结构分别使电池温度降低了3.7°C和2.2°C。
Wang等[35]研究了采用复合相变材料与内置翅片的标准18650电池，发现增大翅片表面积可加速相变材料熔化，并在加热初期维持均匀温度分布。Lamrani等[36]针对标准21700锂离子电池开展了不同相变材料的对比研究，实现了最高3℃的温降效果。其研究结论表明：相变材料的选择需确保完全熔化，以实现电池热管理系统的最优性能。
近年来，混合电池热管理系统（BTMS）已成为研究热点，这类系统将相变材料（PCM）与空气冷却、液体冷却及热管冷却等其他主动冷却技术相结合。Liu等[37]通过集成液体冷却管与复合相变材料（CPCM），发现相较于传统CPCM系统，该集成系统可使电池组最高温度从92°C降至60°C。Ling等[38]提出了一种结合PCM电池系统与强制对流空气冷却系统的BTMS方案。在2C放电倍率下进行的实验表明，该系统能将最高温度控制在50°C以下。Chen等[39]研究了采用PCM与扩展表面的锂离子电池性能，以确定降低模型温度所需的最佳翅片表面积。研究发现，配置9个翅片时能实现PCM最大熔化速率和最低电池温度。
上述多项研究强调了采用多种强化传热方法的混合型电池热管理系统（BTMS）的重要性。基于本研究开展的文献综述，现总结出以下研究空白：

• (i)
  大多数关于BTMS的研究均在较低环境温度与较低充放电倍率条件下开展[40]， %% (ii)
• (ii)
  锂离子电池内部温度均匀性尚未得到广泛研究[24]。
• (iii)
  极少数研究报道了相变材料用量对电池热管理系统(BTMS)的影响[41]。

本研究工作通过分析采用相变材料与内外翅片的混合型电池热管理系统，解决了上述所有关键问题。开发了经自主实验平台验证的数值模型，并开展广泛参数化研究以探究不同充放电倍率(C-rate)和相变材料用量下，采用周向/纵向外部翅片构型的混合系统性能。此外，还通过对比被动冷却系统，研究了强制对流应用的影响。本研究还进行了数值模拟，以考察电池在不同充放电倍率下加热-冷却循环过程中的性能表现。开展此项研究的关键目标在于设计一种能维持更长时间低温状态且具备高散热能力的电池热管理系统（BTMS）。所开发的系统展现出优化的热管理特性，为电动自行车、电动滑板车等小型电池应用中抑制热失控现象提供了一种具有前景的解决方案。