基于泡沫铜/石蜡的动力电池散热性能研究

石蜡作为一种相变材料具有稳定性好、成本低廉等优点,但是其缺点是导热系数较低。利用泡沫铜的多孔结构,将石蜡压入泡沫铜的孔隙中作为相变材料的本体,在此结构中,泡沫铜不仅发挥了多孔连续框架的优势,而且作为强化传热骨架,结合了石蜡相变吸热的性质,在一定程度上弥补了石蜡导热系数较低的不足。实验对电池和电池模块进行不同工况、不同放电倍率的测试,比较各工况下单体电池及电池模块温度分布情况,可以得出泡沫铜/石蜡相变材料冷却系统中动力电池的散热效果非常明显。     

石墨-石蜡复合相变材料的圆柱型动力电池组热管理性能

本工作以21700容量型NCM811锂离子动力电池为研究对象,设计了正六边形布置的电池模组,外覆圆柱型石墨-石蜡复合相变材料的结构.利用数值模拟方法探究了不同恒定倍率放电,以及相邻两电池不同间距对模组热特性的影响.结果表明,对于不同倍率,相邻电池间距对电池模组高倍率放电过程中的温度影响要远大于低倍率放电过程,而对于相同倍率,小间距模组从放电开始至结束的温升要高于中间距和大间距模组.电池温度的变化相对于热流量在时间上有一定滞后,通过监测热流量的数值,能够对电池热管理的失效做出提前预知,提高电池组的安全性.     

三套管式相变蓄热器强化传热研究

基于三套管式相变蓄热器的特点,提出应用T字形翅片来强化相变蓄热器的传热性能。研究结果表明:添加翅片可有效地降低蓄热器中相变材料的凝固和融化时间,直翅片和T字形翅片的混合强化结构能使凝固过程比未强化结构节省74%的时间,使融化过程节省60%的时间。因此直翅片和T字形翅片的混合使用可以达到进一步强化传热的目的。     

圆柱形等距螺旋盘管式相变蓄热装置蓄热性能研究

文章设计了一种以石蜡为相变材料的圆柱形等距螺旋盘管式相变蓄热装置,并通过实验分析了该装置的传热特性,以及传热流体入口温度、入口流量对石蜡的融化特性、相变蓄热装置的蓄热量及相变蓄热系统总传热系数的影响。分析结果表明:融化后期,石蜡的融化速率会明显加快;当传热流体入口温度一定时,随着入口流量逐渐增大,蓄热装置的最终显热蓄热量略微升高;与传热流体入口流量相比,传热流体入口温度对石蜡融化速率影响较大;相变阶段,石蜡的传热性能较强,传热流体入口温度越高,石蜡的传热性能越不稳定。     

膨胀石墨/石蜡复合材料的制备及其在动力电池热管理系统中的散热特性

本文将石蜡与膨胀石墨进行复合,并经过压制工艺做成板状膨胀石墨/石蜡（简称EG/PCM）复合材料,以解决石蜡导热性能差以及相变后变成液体流动的问题。用导热分析仪和差示扫描量热仪分别测试了EG/PCM复合材料的导热性能和潜热,并用扫描电镜表征了其微观结构。将EG/PCM复合材料应用于动力电池热管理系统,对单体电池和电池模块分别利用空气冷却和EG/PCM冷却后在1.0 C和1.5 C放电倍率下进行放电,并用温度巡检仪记录电池放电过程的温度情况,对比两种散热方式对动力电池的散热效果。     

含石蜡层玻璃围护结构的一维传热分析

考虑太阳能辐射传热和石蜡材料的相变特性,建立了含石蜡层玻璃围护结构的导热、相变和辐射耦合传热模型,利用布格尔定律跟踪太阳能辐射传输,采用控制容积法离散传热方程,分析了辐射传热对含石蜡材料玻璃围护结构的热影响,并探讨了石蜡吸收系数和折射率对含石蜡层玻璃围护结构的传热影响。研究结果表明:辐射对含石蜡层玻璃围护结构传热过程影响较大;石蜡的吸收系数和折射率对含石蜡层玻璃围护结构内部温度、热流以及透光率的影响显著。结论为含石蜡层玻璃围护结构的设计提供了理论参考。     

翅片参数与PCM材料对散热器传热影响实验研究

为了研究翅片数量、倾斜角度及相变材料对带有纵向翅片的电源散热器传热性能的影响,在恒定热负荷为16 W的条件对含相变材料和不含相变材料两类工况下的5种不同结构散热器进行了实验研究.通过搭建的由实验段、直流电源、数据采集设备等组成的实验系统开展实验,分析了翅片数量(1～5片)、散热器倾角(0°～90°)和相变材料(正二十烷)对散热器传热性能的具体影响,并通过含相变材料散热器的温升变化特征以及相变传热特征对散热器热性能进行了评估.结果表明,倾斜角度和翅片数对液相相变材料对流单元的形成以及传热和运行时间起着关键作用.对于0°倾角的含相变材料散热器,相比1个翅片,5个翅片达到最大允许温度所需的时间增加了80％,而当倾角增加到90°时翅片数的增加对时间的影响不显著.对于所有的倾斜角度,各个测点的相变材料(PCM)温度值都随着翅片数的增加而减小.当倾角增加时,由于浮力诱导流的增强促使对流液相相变区域变大;在单翅片工况下,60°倾角相比0°倾角状态下的工作时间延长78.6％.     

板式石蜡储热器传热的数值模拟

在相变储热器中采用强化传热技术，克服相变材料的低导热性能，是目前国内外研究的热点。应用FLUENT软件数值模拟了翅片强化板式石蜡储热器的凝固传热过程，得到随时间变化的相界面位置、总凝固时间、壁面热流、翅片温度分布等，并进一步分析了翅片对不同长宽比叫的储热器的强化传热效果。模拟结果表明，只有当ω≥1时，翅片才能对储热器起到明显的强化传热作用，研究结果可为相变储热器的优化设计提供可靠的依据。     

金属蜂窝/石蜡复合相变材料融化储热性能研究

针对金属蜂窝/石蜡复合相变材料融化储热过程中,金属蜂窝热传导与液相自然对流传热的竞争关系,基于流-固-热三场耦合理论,建立相变材料融化储热计算模型。开展相变石蜡融化试验,验证计算模型的正确性。进一步分析液相自然对流和金属蜂窝热传导传热的增强效应,以及两者间的竞争关系。结果表明：底部加热下的密闭方腔内相变石蜡融化储热过程可分为热传导、稳定增长、过渡和紊流等四个阶段;各阶段占总融化储热时间的比例分别为0.8%、2.3%、13.6%和83.3%。热量随着液相石蜡的自然流动实现无障碍传输,达到提升相变石蜡融化储热效率的目的。自然对流传热的增强效应随尺寸减小而显著降低,在尺寸小于2 mm后可忽略不计。金属蜂窝通过增大热传导性和传热面积,达到提升相变石蜡融化储热效率的目的。嵌入金属蜂窝后,相变材料储热过程中存在多层共融现象,且在融化区形成温度梯度。与纯石蜡储热效率相比,金属蜂窝作用呈现先增强后抑制的规律,当融化分数超出临界值0.77后,金属蜂窝将进入抑制阶段。     

18650三元锂离子电池的放电热特性

通过某18650型NCM锂离子电池在恒温箱温度为40℃、25℃时的0.5 C、1 C、2 C放电倍率实验与0℃、-25℃时0.5 C倍率的放电实验,得到不同温度与放电倍率下电池的电压与温度曲线,并验证电化学-热耦合模型的可靠性,在25℃时模型精确度最高,电压误差为0.07 V,温度误差为0.8℃,-25℃时精确度最低,电压误差为0.6 V,温度误差为1.5℃.借助模型进行25℃时电池的电极产热分析,并模拟25℃温度条件下2 C放电时的温度场分布,放电结束时电池正负极极耳处温度最高,具体数值为34.8℃,与气流正对的电池表面的温度最低,数值为34℃,在气流后侧距电池中心50 mm处的模型边界处受电池产热与气流的影响温度上升4℃.     

组合相变材料储热系统的储热速率研究

建立了组合式柱内封装相变材料熔化－固化循环相变储热系统的物理模型,用有限差分法进行了数值模拟求解。结果表明,与采用单一相变材料的传统储热系统相比,在给定相变材料组合方式和传热流体进口温度条件下,传热流体流量存在最佳值;选用三种石蜡作用相变材料和水作传热流体的模拟计算结果表明,相变速率可提高１５％￣２５％左右。     

新型分叉翅片强化管壳式储能罐储热性能北大核心CSCD

针对相变材料的质量和最大储热能力因翅片占据相变储能装置的部分体积而下降的问题,实现翅片结构优化具有重要意义。本工作在传统纵向翅片的基础上根据分叉形状提出了一种新型翅片来提高管壳式相变储能罐的储热性能,并针对该装置中相变材料带自然对流的熔化过程进行了三维数值模拟研究,分析了翅片数量、传热流体的入口温度和流速对相变材料熔化过程的影响。研究结果表明:与具有同等体积和数量的纵向翅片相比,新型分叉翅片显著加快了管壳式相变储能罐的蓄热过程。与无翅片和纵向翅片相比,新型分叉翅片使相变材料的熔化时间分别缩短了59.9%和23.4%,平均储热速率分别提高了142.1%和31.4%。在不改变翅片体积的前提下,增加翅片的数量可以减少相变材料的熔化时间,提高平均储热速率,但当翅片数量超过6时,对储热性能的进一步改善效果不明显。提高传热流体的入口温度和流速不仅可以缩短相变材料的熔化时间,也可以增加总储热量和平均储热速率。研究结果可为管壳式储能装置的结构优化和太阳能的高效利用提供一定的参考价值。     

基于电化学-热耦合模型的锂离子电池组件产热分析北大核心CSCD

研究电池电化学过程产热对锂离子电池的热管理至关重要。本工作建立了三元NMC锂离子电池的电化学-热耦合模型,首先通过对该电池进行不同倍率的放电与温度实验测试,验证了该模型在电压和温度变化预测准确性。然后针对不同温度下的表现进行模拟仿真研究。在室温下,无论倍率大小,负极产热总是小于正极产热,虽然负极的极化热高于正极,但其可逆吸热较大,导致产热水平低于正极。而随着放电倍率的增加,正极产热所占比例减小,负极所占比例先增加后减小,而集流体产热所占比例持续增加。然而,低温条件下的电池放电表现出与室温情况不同的产热特性,首先,低温导致低倍率负极产热率比例大大增加,负极可逆热为总可逆热的主要贡献热。而高倍率负极产热率减少,正极则呈相反趋势。其次在低温下放电时间随倍率增加呈现不同趋势,高倍率下放电电压快速降低导致放电不完全,在低倍率0.5~1 C放电运行时出现了电压反弹现象但基本放电完全,这是由于低温限制了负极颗粒内部锂离子及时向外扩散,造成电阻增加与电压快速降低,同时大量产热导致自身温升,从而在低倍率下获得电压反弹并保持持续放电的能力。     

超高功率密度锂离子电池放电性能及容量预估研究

研究一种以钛酸锂氧化物（LTO）为负极材料的锂离子电池，对电池在不同倍率下的性能以及温升情况进行研究，并对电池在66C(C为最大容量)的放电倍率下进行连续循环放电测试，通过实验可得：电池在66C状态下达到最大温升，最高温度51.72℃，达到最大温差25.65℃，其中最大产热率为739.97 W,66C放电倍率下电池放电深度仅为总电量的42%，随着循环次数以及放电倍率的增加，电池的内阻呈逐渐减小的趋势，最小为0.63 mΩ。最后根据电池在高倍率下的循环放电，对卡尔曼滤波算法进行改进，应用扩展卡尔曼滤波算法对电池的容量衰减进行预测，验证了此算法在高倍率放电情况下的适用程度，误差最大控制在0.05以内，达到了良好效果。     

双层相变蓄能辐射地板传热特性实验研究CSCD

本文构建了一种可用于供暖和供冷两种工况的相变蓄能辐射地板系统,该系统包含蓄冷和蓄热两层石蜡相变材料,相变点分别为18℃和34℃,针对该相变地板蓄冷和蓄热层上下相对位置的变化,通过实验研究了在供暖水温45℃和供冷水温15℃两种工况下,这两种不同结构的相变地板的传热特性,以及相变层对找平层、地板层等结构层的影响。结果表明,该相变地板系统可用于供热和供冷两种工况,两种结构模式下,不同结构层在蓄能过程中温度变化特性均相近,但释能过程温度变化特性区别较大。结构的变化对实验箱体内气温在供暖时影响较大,而在供冷时影响不大。综合供冷供暖两种工况,从系统冷量和热量的传递结果考虑,蓄热层在上、蓄冷层在下的结构传热性能更优,可缓解地板温度过快下降带来的热舒适性差及结露问题。     

矩形翅片管糖醇相变储热器传热性能分析

对糖醇基矩形翅片管相变储热器传热性能进行数值模拟与实验研究,利用数值模型研究传热流体入口温度、流量以及储热器翅片间距、管间距等参数对充放热性能的影响。研究表明：从运行参数看,由于相变材料导热系数的影响,翅片强化区外流体入口温度与材料相变温度的温差对充放热速率呈正相关;在管内湍流条件下,管内流速在高于0.53 m/s时,不能显著提升储热器的充放热速率;从结构参数看,增加翅片可显著提升翅片区内充放热速率,翅片间距小于10 mm和管间距小于52.5 mm对充放热速率影响不明显。     

泡沫铁/石蜡复合相变储能材料放热过程及其热量传递规律CSCD

石蜡作为相变储能材料具有储能密度大的优势,但其导热率较低。以石蜡作为相变储能材料、金属泡沫铁作为导热增强材料,通过对泡沫铁/石蜡复合相变储能材料的制备及其放热过程测试,探究了两种厚度金属泡沫铁对石蜡放热过程的强化作用和传热过程。结果表明,泡沫铁能缩短石蜡放热时间,提高放热效率。相比对照组,厚10 mm和15 mm的泡沫铁/石蜡复合相变储能材料相变时间分别缩短了1/3和1/4,相变放热密度分别减小了1.60%和3.26%,两者的相变放热速率是相应对照组的1.44和1.27倍。同时,还对15 mm泡沫铁/石蜡复合相变储能材料放热过程中,对流换热系数与相变时间和材料温度的关系分别进行了模拟,得到相应的理论公式,该公式所求得的模拟值与实际值较接近,可用于预测不同放热时间或材料温度下复合相变储能材料的换热能力。     

Lithium battery thermal management system for hybrid vehicles

为研究动力电池组的温度特性以及维持其工作在最佳的温度范围内,以锂离子电池为研究对象,设计了一种新型混合动力汽车的电池热管理系统,利用空调系统和发动机排气系统来调控电池组的温度。建立了锂电池组的三维瞬态产热数值模型,以电池组的三维尺寸和进风口流速为输入参数,以降低电池组的最大温升和提高电池组的温度均匀性为输出参数,利用FLUENT仿真软件和DesignXplorer模块进行联合优化设计了电池组的结构。优化后的电池组的温升比优化前降低了5.39 K,电池组温差降低了6.41 K。分析了恒倍率放电以及对流换热系数对单体电池温升的影响,研究表明：放电倍率越大电池温升越快,放电结束后电池的温度越高,在对流换热系数小于30 W/（m²·K）时,散热效果明显。对电池组在不同条件下加热或者冷却进行了仿真分析,验证了该电池热管理系统的可行性。     

间歇性大功率相变热沉研究

针对某300W大功率间歇式热源,选用9wt%膨胀石墨-56号石蜡复合材料作相变工质,铝翅片作导热结构,基于Fluent软件,采用等效比热容数学模型,在安全温度为65℃情况下,设计得到能稳定运行3500s的相变热沉。针对该相变热沉,为验证等效比热容数学模型的可靠性,搭建了相变热沉测试系统,研究了热源功率及相变工质对热沉控温性能的影响。结果表明：等效比热容数学模型有效可靠;相变材料熔点越低,相变热沉温控时间越长;而热源输入功率越高,相变工质熔点的影响将变小。此外,为降低系统内部温差、减少石蜡泄露以及降低加工成本,进一步提出了热管-回转式翅片相变热沉,热管-回转式翅片相变热沉在热源功率为300W条件下,温控时间高达4300s,内部温差仅在1.6℃以内。     

基于电化学热耦合模型的电池热管理研究

动力锂电池在快速充放电过程中,会产生大量的热量,具有热积聚热失控的风险,要对电池进行热管理。本文首先建立了电池电化学热耦合模型,对电池的温升特性进行研究,然后设计了基于复合相变材料（CPCM）的电池热管理系统,对电池在高倍率放电过程中进行控温管理,最后,比较了不同电池间距情况下,电池热管理系统对电池温度和温差的控制效果。数值仿真结果表明,单电池在3 C倍率放电过程中,电池最高温度为58.9℃,而当采用复合相变材料对电池冷却时,即使在35℃的环境温度下,也可以有效把电池最高温度控制在46.1℃,温差控制在3.6℃,从而能确保电池在适宜工作温度内安全运行,延长电池组的使用寿命和提高电池安全性能。更重要的是,通过对复合相变材料的固相率进行分析表明,固相率不为0时,可以有效控制电池温度和温差,而当热管理系统中的复合相变材料固相率为0时,电池组温度和温差均快速升高,因此通过对复合相变材料固相率指数进行分析,有助于复合相变材料的应用及热管理系统的优化。