《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Thermal management of lithium-ion batteries using fin-embedded phase change material: An experimental and regularized polynomial regression approach
编辑推荐：
•为LFP电池冷却而合成的伪二元PCM，采用MA-SA/PEG-6000作为原料。•通过FTIR、DSC、TGA和热导率测试对PB-PCM进行了表征，用于BTMS（电池热管理系统）。•无鳍PB-PCM和带有散热片的PB-PCM在3C下分别将平均最高温度（Tmax）降低了24%和3
- •
为LFP电池冷却而合成的伪二元PCM，采用MA-SA/PEG-6000作为原料。
- •
通过FTIR、DSC、TGA和热导率测试对PB-PCM进行了表征，用于BTMS（电池热管理系统）。
- •
无鳍PB-PCM和带有散热片的PB-PCM在3C下分别将平均最高温度（Tmax）降低了24%和35.7%。
- •
基于实验数据训练并测试了正则化多项式回归（RPR）模型。
- •
RPR模型预测在4C下，带有散热片的PB-PCM的平均最高温度（Tmax）可降低43.3%。
引言
全球与能源相关的二氧化碳（CO2）排放量达到了创纪录的37.8亿吨，使大气中的二氧化碳浓度升至422.5 ppm，这加剧了对于可持续交通解决方案的需求[1]。电动汽车（EVs）作为一种有前景的替代方案应运而生，并得到了政府政策和长期转型目标的支持，例如中国计划到2035年实现全面电气化。电动汽车的快速增长显著增加了对可充电电池（尤其是锂离子电池（LIBs）的需求，因为它们具有高能量密度、耐用性和低自放电率。领先的电动汽车制造商，包括特斯拉（Tesla）、尼桑（Nissan）、极星（Polestar）、宝马（BMW）和沃尔沃（Volvo）等，已将LIBs作为其车辆的动力来源[2]。在重负载条件下持续的高功率需求会产生过多的内部热量，加速电池性能下降，如果得不到管理，可能会导致诸如机械损伤、短路或过充等异常情况，从而引发电池的热失控[3]、[4]、[5]、[6]。因此，需要一个有效的电池热管理系统（BTMS）来调节热量并防止热失控。
BTMS通过主动和被动冷却方式调节电池温度，以提高效率、安全性和使用寿命。被动冷却基于自然对流，利用相变材料（PCMs）或浸入式冷却。PCMs能够储存和散发热量，但它们面临一些挑战，包括导热性差、过冷和相分离问题。为了解决这些问题，研究人员开发了共晶PCMs，这种材料由多种成分组成，具有定制的熔点和增强的热稳定性[7]。例如，郭等人[8]使用无机共晶PCM减少了过冷现象，并提高了热调节能力，最大温差达到了7.84°C。同样，汗等人[9]通过实验评估了使用共晶PCM（月桂酸/肉豆蔻酸和月桂酸/棕榈酸）的锂离子电池冷却效果，在3C的放电率下实现了最高34.0%的效率。
阿南德（Anand）等人[10]报告称，有机共晶PCM相比纯PCM具有略微提升的热导率。在此基础上，人们开发了PB-PCM（共晶系统的一个子类别），以进一步优化其热性能。例如，艾哈迈德（Ahmed）等人[11]研究了一系列基于六水合硝酸锌与各种无水硝酸盐制成的伪二元共晶材料，发现它们在热能储存应用中具有更好的性能。此外，最近的研究表明，PB-PCM已被成功应用于BTMS、热交换器和电子设备中。它们相对较高的导热性和可调的熔点使得它们能够在各种工作条件下高效吸热、加速相变过程并改善温度调节[12]、[13]、[14]、[15]。
PCMs在BTMS中用于减少热问题并提高运行安全性[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。在高放电率下，电池内部会产生大量热量；这些热量通过PCMs以潜热的形式被有效吸收，从而使电池温度保持在安全的工作范围内。然而，PCMs释放储存的热量相对较慢，且受环境条件的影响，这可能限制其整体热管理能力。为了解决这一缺点，先前的研究在PCMs中嵌入了散热片以增强热传递速率并提高温度均匀性。例如，谢伊克（Shaik）等人[22]在PCMs中 integrated了圆柱形管状散热片，将熔化时间减少了21%，并提高了47.23%的温度均匀性，提供了一种有效的热储存解决方案，实现了更高的热传递速率和更快的熔化过程。表1提供了关于用于锂离子电池热管理的带散热片PCMs系统的先前研究的详细概述，展示了不同电池配置中应用的各类散热片和PCMs类型，以及它们在降低最高温度（Tmax方面的效果。
近年来，数据驱动的方法和机器学习（ML）技术与数值和实验方法结合使用，用于预测不同充放电率下的温度并优化BTMS。计算流体动力学（CFD）和经验方法等不同技术在处理复杂的热行为和实时适应性时常常面临挑战。ML可以节省计算成本，避免数值测量的复杂性，并减少实验误差。汗等人[32]使用ML模型预测了电池单元之间的最高温度和温差。同样，张等人[33]也采用ML来预测混合BTMS的热控制性能。此外，艾哈迈德等人[34]在提出的BTMS上应用ML以优化效率和能耗。
尽管许多研究探讨了结合金属散热片的基于PCMs的BTMS，但大多数研究集中在传统的石蜡基PCMs或商用RT系列PCMs上。相比之下，关于从脂肪酸制备的伪二元相变材料（PB-PCMs）在BTMS应用中的热行为的文献较少。此外，关于将铜管散热片作为高导热性热传递路径嵌入PB-PCM基质中，并结合预测性正则化多项式回归来扩展热评估范围（超出实验范围）的研究，对于圆柱形锂离子电池来说尚未得到充分研究。因此，本研究提出了一种新的BTMS配置，将PB-PCM与铜管散热片结合使用，以提高在高热负荷下的热传递效率并改善温度均匀性。
本研究提出了一种用于LFP电池组的新型带散热片的PB-PCM，这是以前未曾研究过的方法。该BTMS使用了由硬脂酸（SA）/聚乙二醇（PEG-6000）和月桂酸（LA）组成的PB-PCM，并整合了类似散热片的铜管结构来增强热传递。该研究通过FTIR、DSC、TGA和热导率测量提供了PB-PCM的详细表征，这些数据在文献中尚未报道。系统的热性能通过降低最高温度（Tmax、提高温度均匀性和PCMs熔化分数等方面进行了评估。此外，系统地分析了铜管集成对热传递增强效果的影响，并与无散热片的PB-PCM配置进行了比较。研究结果为开发高性能的PB-PCM辅助BTMS提供了实用的设计见解，有助于提高锂离子电池系统的热安全性和运行可靠性。
章节片段
材料
使用硬脂酸（SA）、月桂酸（LA）和聚乙二醇（PEG-6000）制备了伪二元PCM（PB-PCM）。这些成分未经进一步纯化直接混合制备PB-PCM。选择这些成分是因为它们具有合适的熔点范围、高的熔化潜热、化学稳定性以及适用于热能储存应用的特点。所选PCMs的热物理性能总结在表2中。
实验设置配置
通过设计2×4配置的电池组来评估不同放电率下锂离子电池（LIBs）的热性能，如图3c所示。锂离子电池的规格列在表4中。每个电池单元之间用2毫米的间隔隔开。对于自然冷却方式，电池组被放置在一个5毫米厚的透明亚克力盒内，如图3c所示。用于自然冷却、带有PCM的电池以及带有散热片的PCM的亚克力外壳尺寸为14厘米×9.1厘米×...
正则化多项式回归（RPR）建模
为了捕捉非线性热行为并估计超出研究范围的电池组热管理性能，开发了一个RPR框架，作为经验相关性和外推工具，而不是通用的ML模型。该框架提供了一个计算成本较低的替代模型，可以映射复杂的电热响应，而无需进行全3D瞬态计算流体动力学（CFD）模拟。
自然冷却
八个LFP电池单元组成的电池组通过点焊和焊接连接电线。电池单元之间保持2毫米的间隔以保持结构完整性。然后将电池组放置在分析仪上，评估其在不同放电率下的性能。放电率保持在1C，而放电率分别为2C、2.5C和3C。在2C、2.5C和3C的放电过程中，温度分别上升至57.9°C、66.2°C和72.2°C，如图4a-c所示。
结论
本研究考察了在被动热管理系统下的LFP（4Ah）电池组，包括纯PB-PCM和带散热片的PB-PCM。PB-PCM由硬脂酸、聚乙二醇和月桂酸合成。实验评估的结果如下。
- •
自然冷却不足以在高放电率下控制电池温度，在3C的放电率下最高温度达到了72.2°C。
引入PB-PCM后...
CRediT作者贡献声明
沙欣·沙阿（Shahin Shah）：负责写作、审稿与编辑、撰写初稿、可视化、方法论、调查和概念化。穆罕默德·阿玛德·纳伊姆（Muhammad Amad Naeem）：方法论、调查、概念化。阿耶莎·比拉尔（Ayesha Bilal）：写作、审稿与编辑、方法论、概念化。马吉德·阿里（Majid Ali）：写作、审稿与编辑、监督、方法论、调查和概念化。哈桑·纳齐尔（Hassan Nazir）：写作、审稿与编辑、可视化、概念化。达伍德·纳扎姆·兰贾（Dawood Nazam Ranjha）：可视化、验证。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了美国-巴基斯坦能源高级研究中心（USPCAS-E）、巴基斯坦伊斯兰堡的国立科学技术大学（NUST）的支持。
沙欣·沙阿（Shahin Shah）|穆罕默德·阿玛德·纳伊姆（Muhammad Amad Naeem）|阿耶莎·比拉尔（Ayesha Bilal）|马吉德·阿里（Majid Ali）|哈桑·纳齐尔（Hassan Nazir）|达伍德·纳扎姆·兰贾（Dawood Nazam Ranjha
