基于碳化硼增强相变材料的电池热管理系统的自然对流驱动熔化及热性能

《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》：Natural convection-driven melting and thermal performance of a B 4C-enhanced phase change material-based battery thermal management system

　　

摘要
背景 本研究通过数值方法调查了在高倍率循环下由相变材料（PCM）支持的电池热管理系统（BTMS）的热流体性能。本研究有两个主要目标：（i）评估电池在 3C 放电/2C 充电和 5C 放电/2C 充电循环下运行时 BTMS 的热性能；以及（ii）分析由于自然对流引起的动态传热过程中 PCM 的熔化行为和传热特性。
方法 分析在 COMSOL Multiphysics 中进行，循环条件持续 10,000 秒。电池热模型采用 tau 集总电池方法构建，代表随时间变化的热量产生。纯 RT35HC 以及含 0.5%、1% 和 2% 重量百分比 B?C（碳化硼）的 RT35HC 复合材料被评估作为 PCM。此外，PCM 层厚度参数化变化为 5、10 和 20 mm。在数值模型中，相变使用焓 - 孔隙率法处理，并考虑了液相中的自然对流效应。
主要发现 结果表明，在所研究的锂离子电池热管理中，最具决定性的参数是 PCM 厚度（tpcm）。在 5 mm 的 PCM 厚度下，相变材料在短时间内完全熔化，导致电池温度达到临界 60 °C 限制并产生热失控风险。相比之下，在 10 和 20 mm 的 PCM 厚度下，更高的潜热储存能力使电池温度保持在安全操作范围内。确定 B?C 纳米颗粒掺杂的影响取决于 PCM 厚度。虽然掺杂在薄 PCM 层中提供的温度降低有限，但在较厚的 PCM 层中，与纯 RT35HC 相比，掺有 2% B?C 的 RT35HC 在 3C 放电条件下提供了大约 3–4 °C 的额外最高温度降低，在 5C 放电条件下提供了大约 2–3 °C 的额外最高温度降低。此外，确定在 5C 放电条件下 20 mm 厚 PCM BTMS 中达到的电池最高温度为 58 °C，并保持了 ΔT < 3 °C 的温度均匀性。总体而言，确定大约 10 mm 的 PCM 厚度和低至中等的 B?C 掺杂比例在热性能和能量储存能力方面提供了最佳的操作条件。
引言 近年来，随着全球电动汽车和家用电器数量的增加，以及优化电动汽车充电时间的需求不断增长，电池获得了相当重要的地位。文献中探索了各种方法来解决电池发热问题，该领域的研究进展迅速。能源材料技术的进步导致了电池热管理系统（BTMS）的显著改进。BTMS 的主要目的是将电池保持在理想的操作温度范围内并确保安全运行。为了实现这一目标，文献中报道了各种技术。主动系统的数量有限，因为主动传热增强技术难以实施且需要额外的能量消耗。因此，被动方法，如使用化学添加剂、冷却通道和不同类型的翅片，变得更加流行。这尤其重要，因为电动汽车（EV）中使用的高能量密度锂离子电池需要有效的热管理解决方案以确保操作安全、效率和长期耐久性。
Maknikar 等人 [1] 和 Soliman 与 Cheng [2] 的综述研究总结了这些技术。他们回顾了近期关于以泡沫、翅片、复合材料和改性冷却包形式使用 PCM 的研究。他们还分析了 PCM 的热物理性能对 BTMS 性能的影响。在此背景下，Wu 等人 [3] 尝试通过结合热电冷却器（TEC）- 相变材料（PCM）- 热管（HP）系统来控制电池热管理中的温度变化。他们采用基于 CFD 的扩展多物理场解决方案，并报告称，虽然过大的 TEC 输入电流会恶化温度均匀性，但当使用 EG 质量分数为 12% 的 PCM 时，系统提供最佳的热性能。PCM 在 BTMS 中的应用非常普遍。因此，Wu 等人 [3] 采用焓 - 孔隙率法模拟 PCM 并研究其在不同倾斜角度下 BTMS 中的冷却行为。他们研究了在不同重力环境和倾斜角度下 BTMS 中 PCM 的熔化情况，以提出一种用于航空航天 BTMS 设计的增强传热方案，并指出 PCM 可用作被动 BTMS 技术。Sharma 等人 [4] 研究了基于 PCM-HP 的混合 BTMS 中翅片的热性能，以维持电池表面的平均温度。他们使用二维计算模型进行翅片设计选择，测试了两个基础设计和十二个几何形状不同的翅片设计，并观察到增强传热和增加热导率改善了 PCM-HP 混合 BTMS 的性能。他们发现，与无翅片的 PCM-HP BTMS 相比，翅片设计使 PCM-HP 混合 BTMS 的最大电池表面温度降低了 2.95 °C，从 62.85 °C 降至 59.9 °C。Luo 等人 [5] 展示了一项基于 PCM 的 BTMS 研究，包括冷却和加热系统。他们分析了基于 PCM 的冷却系统及其传热增强、相变流体（PCF）和柔性相变材料（FPCM）。同样，An 等人 [6] 提出了一种结合的 BTMS-PCM 设计，以减少电池系统中的火灾风险。Wang 等人 [7] 使用数值方法研究了双层 PCM 基 BTMS 中 PCM 的排列原则及其热物理性能的优化。他们的结果表明，将低温 PCM 靠近电池排列，将高温 PCM 靠近对流传热边界排列，可以提高系统的热调节性能。他们表明，内部和外部 PCM 层的最佳热导率分别为 4.8 W m-1 K-1 和 2.8 W m-1 K-1。
简单的被动技术，如翅片和 PCM，可以同时用于相同的应用中。例如，Adit 等人 [8] 采用这种方法并使用 CFD 仿真调查了锂离子电池的热行为。在他们的研究中，混合 PCM 表现出增强的热导率，与纯 PCM 相比增加了 359.09%，尽管减少的熔化潜热限制了能量储存能力，峰值热生成达到 533,713 W m-3。Pranto 等人 [9] 进行了另一项类似的研究，他们使用了翅片和混合 PCM。他们在石蜡中添加了 Al2O3 (1%) 和石墨烯 (3%) 纳米颗粒，使热导率提高了 5.27 倍。使用 CFD 技术，他们实现了高达 5.5% 的温度降低。如 Zhang 等人 [10] 所指出的，选择合适的 PCM 技术很重要。他们使用 CFD 方法测试了 BTMS 中大约 50 种具有不同热物理性能的 PCM。随后，他们应用反向传播神经网络和熵权-TOPSIS 方法进行数据预测，从而识别出适用于 BTMS 应用的理想 PCM。对于 2C 的放电率，(ΔT)max 与 ρ 呈现显著的正相关。Soliman 等人 [11] 应用双重 PCM 来减轻商用锂离子电池 BTMS 中的热不均匀性。他们还使用了翅片几何形状，并且他们的研究针对不同的参数进行。他们指出，新设计在 BTMS 中提供了改进的温度控制。在他们的案例中，变化的放电率（1C, 3C, 5C, 8C, 和 10C）以及在 25 °C 和 30 °C 环境温度下高达 13.75 °C 和 16.28 °C 的光滑案例极限表明热均匀性较差。Bahrami 等人 [12] 对锂离子电池的先进混合 BTMS 进行了数值研究。他们使用了一种复杂的方法，涉及 PCM、主动水基对流、双重三元纳米流体和孔隙介质，用于五种不同的配置。他们表明，3C 放电率在高转速下将峰值温度降低了 1.61 K。Rao 等人 [13] 考察了不同类型 PCM（如有机和无机材料）的有效性，以在 BTMS 中提供有效的冷却。他们还应用了机器学习技术，发现热导率是有效散热的关键因素，表明作为无机 PCM 的 Galinstan 在 BTMS 中表现出卓越的性能。为了防止温度超过安全限制并触发热失控的有效热管理，放电率从 5C 到 8C 在 300 K 下导致温度升高 2.27%，而在 308 K 下为 5.1%。同样，Singh 和 Sahoo [14] 将新颖配置下的复合和金属 PCM 应用于圆柱形电池。他们在数值研究中使用了几种不同的 PCM，包括镓、正十八烷、RT-31 和 RT-35。他们测试了这些 PCM 并确定了适用于电池应用的最佳热设计。Sutheesh 等人展示了一项关于带有 PCM 的单个锂离子单元的数值研究。他们使用了三种不同的非常规蜂窝状翅片 PCM 系统，包括一个模拟有无翅片的基础模型。他们得出结论，1-十四醇和正二十烷 PCM 降低了电池的最高单元温度。类似的方法可以用于主动和被动方法中，即混合冷却技术，以确保电池安全。他们表明，观察到的熵变范围从 50.78 到 223.51 J kg-1 K-1，突显了巨大的热活动性。即使在高极端放电率（3C-4C）和波动的环境温度下，也能降低电池峰值温度并保持均匀的温度梯度。在此背景下，Zhou 等人 [15] 调查了一种集成 PCM/铜泡沫与空气喷射管和液体通道的电池 BTMS。他们的数值模拟表明，所提出的技术提供了改进的散热性能。
Rana 等人 [16] 提出了一种新颖的翅片增强型基于 PCM 的 BTMS 系统。通过实验和数值调查，他们表明新型 BTMS 与 PCM 冷却相比，最大平均温度（Tavg,max）降低了 6%。对于低于 35 °C 的温度，PCM-35 最适合热管理。Zhu 和 Chen [17] 使用 RT42 PCM 在不同参数下控制电池温度。他们的结果表明，在高放电率和弱对流传热条件下，通过添加 PCM 可以将电池表面最高温度降低 9.85–90.54 K。这些模型预测电池保持在 15 °C 到 40 °C 理想范围内有多有效。Liu 等人 [18] 将 PCM 与蛇形液体冷却通道集成并进行了数值研究。他们指出，在混合 BTMS 设计中，能耗最多可以减少 79.12%。他们研究的限制：在 2.5C 放电率下，最高温度和最大温差分别限制为 43.57 °C 和 4.42 °C。Luo 等人 [19] 开发了一个针对化学动力学和各向异性热传质的三维数值模型，并带有 PCM 以减轻过热，并证明了 PCM 的放置对减轻过热起着关键作用，但这种影响取决于环境温度。他们指出，将相变温度调节至 130–140 °C 可以增强潜热利用率，即使在低潜热下也能实现完全的热失控（TR）抑制。Arshad 等人 [20] 调查了基于 TiO2/RT-35HC 的纳米复合相变材料（NCPCMs）用于热管理应用。他们观察到纳米颗粒比例对热管理起着重要作用。这些系统的应用可以在电动汽车电池的研究中找到 [[21], [22], [23], [24]]，此外，不同的模型测试也应用于不同的电池类型 [25,26]，能量平衡在电池中非常重要，PCM 有助于处理如参考 [27] 中给出的现象。不同的化学品可以帮助 BTMS，如参考文献所示 [[28], [29], [30]]，最近的研究继续探索锂离子电池热管理的不同热增强策略。Esmaeili 和 Khoshvaght-Aliabadi [31] 调查了一种配备扭曲带的圆柱形锂离子电池液冷系统，并表明所提出的配置改善了散热和温度均匀性。发现使用非均匀扭曲带比传统配置提供更好的热调节，证实了增强对流传热在控制电池温度中的重要性。Sheikholeslami 等人 [32] 数值评估了结合 Fe?O?–SWCNT 混合纳米流体的不同微通道配置。在研究的平滑、凹槽、齿状和针翅配置中，针翅设计提供了最高的传热性能，其努塞尔数约为传统平滑通道的 5.03 倍。
PCM 辅助方法也因其通过潜热储存吸收瞬态热量的能力而受到了相当大的关注。

Alqaed 等人 [33] 研究了被有机相变材料 (PCM) 包围的棱柱形锂离子电池的热管理，并证明了冷却气流的布置对电池温度分布以及相变材料的熔化和凝固行为有显著影响。他们的结果还表明，纯被动相变材料系统的热调节能力在完全熔化后变得有限，这强调了控制相变材料相变动力学的重要性。Hu 等人 [34] 分析了用于电池热管理的纳米增强相变材料的自然对流驱动熔化，并检查了瑞利数、纳米颗粒浓度、腔体取向和几何参数的影响。他们报告说，增加瑞利数显著加速了相变材料的熔化，而纳米颗粒的添加并不一定会提高熔化速率，甚至可能延迟相变过程。这一发现表明，仅增加热导率并不能保证更快的相变材料熔化，因为由此产生的热物理性质变化也会影响液态相变材料中的自然对流。Fini 等人 [35] 研究了用于电池冷却的微胶囊相变材料悬浮液，并表明增加相变材料浓度增强了传热性能并降低了电池表面温度。然而，热性能的改善伴随着流动阻力的大幅增加，这表明热增强策略应在考虑传热改善和相关传输惩罚的情况下进行评估。本研究提出了一种在高 C 倍率充放电循环下由相变材料支持的新颖电池热管理方法。因此，本研究有两个主要目标。首先，它旨在使用 τ集总电池模型对电池的热和电化学行为进行建模，这是一种相对简单的建模技术，在文献中尚未被广泛使用。其次，它旨在调查掺 B4C 的纳米相变材料（据作者所知，此前在此背景下尚未研究过）对基于 RT35HC 的电池热管理系统的熔化行为、传热特性和系统性能的影响。在此背景下，针对 21,700 型锂离子电池在 3C 放电/2C 充电和 5C 放电/2C 充电条件下进行了分析，考虑了不同的相变材料厚度（tpcm = 5, 10 和 20 mm）和 B4C 掺杂比例（0–2 wt%）。因此，在中等和高热负荷条件下全面评估了系统性能。基于文献综述和作者的知识，现有研究的绝大多数要么专注于传统电池模型，要么专注于使用常见纳米添加剂（如 Al2O3、CuO 和石墨烯）的基于相变材料的电池热管理系统应用。相比之下，文献中尚未发现将 τ集总电池模型与掺 B4C 的相变材料相结合的综合研究，同时评估高 C 倍率下的熔化行为、传热特性和电池热管理系统性能。因此，本研究旨在通过提出一种整体数值分析来填补这一空白，该分析考虑了电池系统内的电化学行为、热响应、相变材料相变过程和自然对流效应。尽管文献中已使用不同的相变材料类型、纳米颗粒添加剂和电池模型进行了许多关于电池热管理系统的研究，但本研究选择材料和建模方法基于特定的科学理由。选择 RT35HC 是因为其熔点（34–36 °C）与锂离子电池的理想工作温度范围兼容，从而旨在在达到临界温度之前有效地以潜热形式存储产生的热量 [20,22]，选择 B4C 纳米颗粒是因为其优异的性能，如高热导率、低密度、化学稳定性和绝缘性，且关于其在基于相变材料的电池热管理系统中使用的研究数量有限，这使得这一选择在科学上具有重要意义。选择 τ集总方法作为电池模型，因为它在计算成本和电化学精度之间提供了平衡的解决方案 [21]。此外，确定 3C 和 5C 放电速率以代表中等和高温负荷条件 [23,24]，而选择 5、10 和 20 mm 的相变材料厚度以及 0.5–2% 的 B4C 掺杂率是为了允许对热导率增加、潜热存储容量和系统性能之间的相互作用进行全面评估。本研究旨在通过不仅调查基于掺 B4C 的相变材料的电池热管理系统的热性能，还阐明在高放电速率下决定系统行为的基本热机制，从而解决文献中显著的研究空白。虽然目前的大部分研究仅专注于使用传统掺杂剂增加热导率，但本研究详细检查了 B4C 添加对热传导、潜热存储、相变材料熔化行为和自然对流的综合影响。此外，通过共同评估不同的相变材料厚度和 B4C 掺杂剂比例，系统地揭示了增加热导率和潜热存储容量之间的最佳平衡。因此，本研究不仅限于应用一种新颖的纳米掺杂材料，还提供了关于 B4C 如何在挑战性操作条件下影响锂离子电池热管理过程的综合物理视角。在这方面，本研究为关于纳米掺杂相变材料热行为的科学知识库做出了贡献，并为设计轻量化、可靠和高性能的电池热管理系统提供了重要的工程启示。章节片段 理论模型 本研究考虑的电池热管理系统的几何布置如图 1 所示。在此布置中，可以注意到考虑了用于建模的两个主要物理计算域，如图 1(a) 所示。内部域代表一个 21,700 型锂离子电池电芯（直径 21 mm，高度 70 mm），由产热固体体积表示，并在整个电芯圆周上同心定位。外部域完全包裹电池 结果与讨论 本节对当前研究开发的电池 - 相变材料系统的热/电化学性能进行了整体评估。分析是在考虑 21,700 型锂离子电池在 3C 放电/2C 充电和 5C 放电/2C 充电条件下，不同的 tpcm 值为 5 mm、10 mm 和 20 mm，以及从 0 wt% 到 2 wt% 的不同 B4C 掺杂比例的情况下进行的。所选的放电速率代表了现实的中高功率操作 结论 本研究数值研究了 21,700 型锂离子电池在 3C 放电/2C 充电和 5C 放电/2C 充电条件下基于相变材料的电池热管理系统的热流体性能。评估了纯 RT35HC 和含有 0.5、1 和 2 wt% B4C 的 B4C 增强 RT35HC 复合材料，相变材料厚度为 5、10 和 20 mm。电池响应使用 τ集总电池方法进行建模，而相变材料熔化及其相关的自然对流被 CRediT 作者贡献声明 Bar?? Kavaso?ullari: 写作 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论。Hakan F. Oztop: 写作 – 原稿，调查，形式分析，概念化。Muhammed Gür: 写作 – 回顾与编辑，验证，软件。Ezgi Gürgen?: 资源，方法论，形式分析。Bar?? Kavaso?ullari|Hakan F. Oztop|Muhammed Gür|Ezgi Gürgen? 航天工程系，航空与空间科学学院，锡瓦斯科学技术大学，58100，锡瓦斯，土耳其