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电动汽车和混合动力电动汽车的电池性能至关重要，但温度分布不均匀一直是一个主要问题，影响功率容量、充电效率和使用寿命。

为提高电池热性能，研究了相变材料（PCM）的应用，它可以吸收和释放大量热量以维持电池温度稳定。

数值模型分析了不同冷却场景，并研究了PCM厚度、热导率和空气速度对电池散热效果的影响。

01

高性能相变材料PA RT35HC的热管理应用

在热管理领域，Rubitherm(R)的商用相变材料（PCM）PA RT35HC因其适当的熔点和高热能存储能力而备受关注.

这种PCM的熔点温度在307.15 K到311.15 K之间，确保在室温下容易从液态返回固态，它具有出色的蓄热能力，达到240,000焦耳·公斤-1，以及高比热容（2000 J·kg -1 ·K -1），这使得它在能量存储应用中非常有价值。

为了制备形状稳定的复合PCM，研究人员选择将HDPE作为支撑基体，并添加EG作为导热增强剂，通过实验，他们发现在复合PCM中，PA的最大重量百分比可高达77 wt%，而HDPE的含量不应低于23 wt%，以避免泄漏。

当EG的添加量达到3 wt%时，复合PCM的导热系数可提高24%，所以他们建议最理想的组合是74.7 wt%石蜡、22.3 wt% HDPE和3 wt% EG，这有助于在相变过程中保持PCM的稳定形态并提高导热性。

复合PCM的堆积密度是通过称重材料并测量体积来测量的，为1000公斤米-3，在考虑研究中的温度范围较窄的情况下，他们采用了温度无关的特性。

们使用了Maxwell-Eucken模型，该模型考虑了有效相、连续相和分散相的影响，在这里，HDPE被认为是连续相，而PA-EG被认为是分散相，这种方法产生了复合PCM的导热系数，为0.26瓦·米-1 ·K -1。

在研究中，还考虑了空气对流传热系数，对于强制空气对流的情况，传热系数依赖于多种属性，包括空气流速和表面粗糙度.

在实验中，当风扇产生气流以冷却电池时，空气速度在1到20 m·s -1范围内变化，基于相关公式，研究人员计算了不同传热系数，并评估了气流速度对电池冷却性能的影响。

这项研究展示了Rubitherm(R)的商用PCM（PA RT35HC）在能量存储和热管理领域的潜力，通过合适的复合材料，可以实现形状稳定性能，并在相变过程中提高热导性。

这对于各种应用中的热控制至关重要，这些数据和实验结果为未来的热管理系统设计提供了重要参考依据。

02

电池冷却系统的设计与优化

在电池和相变材料（PCM）热分析的研究中，研究人员开发了一个热力学模型，并使用MATLAB进行了电池冷却系统的仿真。

这个研究旨在深入理解电池冷却系统中的热传导过程，特别是PCM与电池之间的热交换，在模型的构建中，他们采用了一维（1-D）模型，仅考虑了X方向上的传热。

他们使用了一维连续性方程来描述传热过程，该方程源自牛顿第二运动定律，这个方程帮助我们理解了在电池和PCM之间的热传导如何受到压力的影响。

接着，一维热传导方程被用来描述传热过程，这个方程考虑了单位体积电池产生的热量，并将其应用在电池上，需要注意的是，这里忽略了相变材料的潜热，仅考虑了传导热。

对于模型的边界条件，研究人员考虑了电池与PCM的接触面以及可能的空冷边界条件，这些条件在实际应用中对于模型的准确性非常关键。

他们采用了有限体积法，并使用隐式方法求解，这个过程允许他们计算出不同节点的温度，并从模型中获得输出温度数据。

在电池的模拟中，他们假设了电池的发热是均匀的，简化了计算过程，这个简化模型考虑了电流、开路电压和电池电压等参数，以估算电池的体积发热率，需要指出的是，这个模型并没有涉及电池内部复杂的反应过程。

要验证这一模型的准确性，研究人员进行了实验，并将模拟结果与实验数据进行了比较，他们分别验证了使用和不使用PCM的电池模型。

实验结果显示，模拟和实验之间存在一些微小的差异，这可能是因为模型仅采用了一维模型，没有考虑来自其他方向的传热，不过该模拟结果与实验数据是一致的，表明电池发热模型可以很好地预测电池的热性能。

03

PCM厚度选择是影响电池温度的关键因素

本节研究了四种电池热管理系统（BTMS）配置对电池冷却性能的影响，特别关注了不同放电率下的结果，在放电率为5C、3C和1C的条件下，四种冷却系统下电池芯部温度的趋势比较，较快的放电速率通常导致更高的电池温度。

对于没有任何冷却的情况，电池的最高温度在放电阶段结束时达到峰值，分别为339.6 K、326.1 K和312.5 K，与放电率5C、3C、1C相对应。

在这之后，分别采用了不同的冷却方法，包括相变材料（PCM）的 passives、PCM与强制空气对流耦合、以及仅使用强制空气对流。

PCM与强制空气对流耦合，对电池冷却效果最佳，其次是每种方法的单独使用，特别是在5C放电率下，PCM与强制空气对流耦合可限制电池温度上升约15.7 K，比未使用BTMS的情况要低。

在3C放电率下，强制空气对流冷却，明显减缓了电池温度上升，导致最低的最终温度，所以这种强制风冷系统在不同放电率下都表现出出色的冷却性能。

还有就是不同PCM厚度条件下电池温度的变化，横轴表示PCM厚度与电池宽度的比值，即厚度比，结果表明，较高的厚度比（即较厚的PCM）并未明显改善电池温度，在不同放电率下，PCM可以将电池温度限制在16 K、11 K和7 K左右。

深入研究厚度比的影响，不同厚度比条件下电池最高温度的变化曲线，我们观察到当厚度比低于0.06时，电池温度会在一段时间后迅速上升，这表明PCM已完全熔化。

相比之下，较高的厚度比（0.08及以上）可以有效地吸收和储存电池产生的热量，限制了电池温度的上升。

这种结果进一步印证了PCM厚度对BTMS性能的关键影响，选择合适的PCM厚度可以实现最佳的电池冷却效果。

04

复合相变材料是提升电池温度控制的关键

在电池热管理领域，复合相变材料（PCM）的研究日益受到关注，PCM是一种可以吸收和释放热量的材料，可用于稳定电池温度。

除了PCM的厚度，热导率是一个关键参数，它对电池冷却性能产生重要影响，在本研究中我们将复合PCM作为导热增强添加剂添加到乙二醇（EG）中，然后测量了不同EG质量分数下的热导率。

随着EG质量分数的增加，复合PCM的热导率逐渐提高，表明更多的EG添加剂可以提高传热性能，在电池温度控制方面，高EG含量的复合PCM表现出更好的性能。

比如说在EG质量分数为4.6%时，电池放电结束时的最高温度（T max）仅为317.7 K，明显低于没有EG添加剂的情况下的322.9 K。

进一步研究中，我们考虑了两种情况，一种是没有任何冷却，另一种是采用强制风冷，结果显示。

在强制风冷的情况下，温度梯度略低，T max为317.5 K，比没有风冷的情况高出0.4 K，这表明PCM的导热系数对电池温度管理的影响不仅仅是线性的，还受到PCM厚度和空气冷却的影响。

研究了强制空气对流的冷却效果，比较了不同风速条件下电池的T max，结果显示，较快的风速可以显著降低T max的上升速率。

这意味着即使没有PCM，高速风扇的使用也可以提高电池的冷却性能，尤其是在高放电率下，但需要注意的是，过高的空气流速可能会损害电池的结构和性能。

复合PCM作为导热增强材料在电池热管理中具有潜力，特别是在结合强制风冷的情况下，还有就是，适度提高空气流速也可以有效提高冷却性能。

结论

近年来，电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）因其环保特性而发展迅猛，电池组的性能对这些车辆至关重要。

但电池在使用寿命内会受到数千次充电和放电循环的影响，温度对电池的多个方面产生影响，包括功率容量、充电效率和使用寿命，所以，电池热管理至关重要，以维持适宜的工作温度范围。

锂离子（Li-ion）电池因其高能量密度而成为EV/HEV的首选技术，可电池的热性能一直备受关注，因为高工作温度可能导致电池过热和功率下降。

为提高电池热性能，研究人员研究了相变材料（PCM）的应用，PCM可以吸收和释放大量热能，有助于维持电池温度稳定。

这项研究强调了PCM和强制空气对流的结合对于电池冷却至关重要，选择合适的PCM厚度可以进一步优化冷却效果。

为电动汽车和混合动力电动汽车的可靠性和性能提供了重要的支持，这些成果将有助于未来电池技术的进一步发展和应用。