基于多種相變材料的太陽能鋰離子電池熱管理系統(tǒng)

現(xiàn)階段，純電動汽車和混合動力汽車成為研究熱點，隨著對其性能需求的提高，其熱管理系統(tǒng)的性能要求也越來越高。研究了一種高效且簡單的基于相變材料太陽能鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)。使用相變材料具有結(jié)構(gòu)簡單、保持電池溫度均勻性、降低維修成本、降低系統(tǒng)能耗的優(yōu)點。

建立了太陽能鋰離子電池的物理模型（圖1），典型的太陽能電池由6塊鋰電池并聯(lián)組成。通過使用由3種材料混合的相變材料，并將其置于鋰離子電池周圍，可以有效降低冷卻鋰電池過程的消耗。內(nèi)置相變材料的鋰離子電池結(jié)構(gòu)如圖2所示。

太陽能鋰離子電池的數(shù)學(xué)模型的建立是基于如下假設(shè)：相變材料融化后為牛頓流體，熱對流發(fā)生在層流中，其密度隨溫度線性變化。于是，在液相對流的經(jīng)典流體力學(xué)和熱傳遞方程的基礎(chǔ)上建立了一個通用的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

研究結(jié)果表明，通過相變材料來冷卻太陽能鋰離子電池時，對流的影響不大，熱傳導(dǎo)才是主導(dǎo)因素；通常在7min左右時相變材料開始由固態(tài)轉(zhuǎn)向液態(tài)，14min后材料變?yōu)槿簯B(tài)。通過比較電池周圍相變材料的不同配置發(fā)現(xiàn)，使用混合相變材料和使用單個相變材料與不使用相變材料相比，可分別使電池的最高溫度降低20.9℃和23.2℃。這是因為十水合碳酸鈉相變材料具有非常大的潛熱和很低的熔點。將熱導(dǎo)率較高的相變材料置于電池最內(nèi)側(cè)，而導(dǎo)熱系數(shù)較低的相變材料置于最外側(cè)的布置方式是性能最優(yōu)的，這種方式使電池的冷卻過程層層實現(xiàn)，顯著提高冷卻效果。

當將基于相變材料的鋰離子電池熱管理系統(tǒng)應(yīng)用于電動汽車中時，其空間布置、質(zhì)量以及氣動裝置設(shè)計都是要重點考慮的內(nèi)容。

刊名：Applied Thermal Engineering（英）

刊期：2016年第7期

作者：Nelson O.Moraga et al.

編譯：羅鈞夫