论文信息：Dinesh Kumar Sharma, Pranjal Agarwal, Aneesh Prabhakar. Effect of fin design and continuous cycling on thermal performance of CM-HP hybrid BTMS for high ambient temperature applications. Journal of Energy Storage 74 (2023) 109360.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.est.2023.109360
研究背景
近年来，受政府政策利好和化石燃料价格上涨的影响，电动汽车在公共交通领域的市场份额大幅增加。锂离子电池以其高能量密度、高比功率、长循环寿命和相对较低的自放电率成为电动汽车首选的电池储能方式。然而，低温和高温都会显著影响锂离子电池的热性能和耐久性，降低性能并加速温度诱导的降解。在较高的工作温度比较低的工作温度对锂离子电池的不利影响更大。虽然翅片的加入提高了传热速率，但冷却性能、翅片设计和潜热储存之间的关系还有待探讨，特别是在高温环境条件下电池模块的循环放电和充电过程中。因此，在本研究中，设计和优化了用于2S2P LiB模块的空气基PCMHP混合BTMS的翅片，并在高温条件下连续充放电循环。提出了一种新型的混合设计，研究了连续放电和充电时PCM中热量积累的影响。对不同翅片设计下电池模块的热性能进行了评估，并与单独的PCM (BD)和无翅片的PCM- hp设计(BDH)进行了比较。根据翅片的效率、锂离子电池表面温度和熔体分数，选择最佳的翅片设计。在此基础上，进行了连续充放电循环实验，对PCM潜热容和导热系数的影响进行了参数化研究。
研究内容
近年来，受政府政策利好和化石燃料价格上涨的影响，电动汽车在公共交通领域的市场份额大幅增加。锂离子电池以其高能量密度、高比功率、长循环寿命和相对较低的自放电率成为电动汽车首选的电池储能方式。然而，低温和高温都会显著影响锂离子电池的热性能和耐久性，降低性能并加速温度诱导的降解。在较高的工作温度比较低的工作温度对锂离子电池的不利影响更大。虽然翅片的加入提高了传热速率，但冷却性能、翅片设计和潜热储存之间的关系还有待探讨，特别是在高温环境条件下电池模块的循环放电和充电过程中。因此，在本研究中，设计和优化了用于2S2P LiB模块的空气基PCMHP混合BTMS的翅片，并在高温条件下连续充放电循环。提出了一种新型的混合设计，研究了连续放电和充电时PCM中热量积累的影响。对不同翅片设计下电池模块的热性能进行了评估，并与单独的PCM (BD)和无翅片的PCM- hp设计(BDH)进行了比较。根据翅片的效率、锂离子电池表面温度和熔体分数，选择最佳的翅片设计。在此基础上，进行了连续充放电循环实验，对PCM潜热容和导热系数的影响进行了参数化研究。
图1 本研究采用的方法流程图。
从图2可以看出，在所有情况下，随着< 0.05 >的增大，、< 0.05首先迅速减小。然而，当< 90 W/m2 K时，该温度降低速率下降。从图中还可以看出，当r <90 W/m2 K时，所有设计均未能将二次放电循环结束时的、r≤60◦C的安全温度限制。因此，我们认为来自高压的对流热通量的最小值为< 0.05 >，约等于90 W/m2 K，在后面的章节中称为< 0.05 >，>。当ck从15增加到350 W/m2 K时，FD8的最大降低幅度为、≥19.4%，FD1的最小降低幅度为8.9%。这可以通过设计的PF和FF值来解释。FD1的FF值最低为0.07,FD8的FF值最高为0.33。在第二个放电循环结束时，区域内的整个PCM处于液态，热管的传热机制仅通过熔化的PCM进行传导，散热片为热流提供了高导热路径。因此，FD1导致，的降低幅度较小，而FD8由于在靠近电池表面的地方存在最长的鳍片而降低幅度较大。
图2在环境温度为40℃时，第二次放电循环结束时，< r < r对，< r的影响。
基于PCM和HP的混合BTMS的最佳设计方案是嵌入长度为6mm，厚度为1mm的鳍片，相应的PF为0.83,FF为0.14。图3示了优化设计(FD5)下，< 0.05 < 0.05)对连续充放电周期的影响。是观察到的在较低的值ℎ,电池的最高温度超过安全限制的第二个和第三个放电周期。因此，为了使、≥≥安全范围，优化设计时需要增大< 0.05 < 0.05。在< < 0.05 W/m2 K或更高时，优化设计足以将多次连续放电和充电循环的、≥限制在安全范围内。这是表明,超过安全温度限制在较低ℎ第三放电周期结束时。在< 0.05 < 135 W/m2 K或更高时，电池温度下降，在第三次放电循环结束时低于安全温度限制。电池温度可能超过安全限制超过三个周期，在这种情况下，可能需要更高的< 0.05 。
图3 在不同的值下，连续放电和充电循环下、的变化。
潜热是相变材料的一个重要特性，它决定了相变周期结束前能储存多少热能。PCM熔体分数取决于从PCM吸收或释放的热能。如前一节对< < 0.05 > >所述，潜热的影响也在三种情况下进行了研究，即在PF和FF占优势的情况下，<，≈90 W/m2 K，保持< < 0.05 W/m K不变。有机石蜡和非石蜡的潜热变化范围在182 ~ 260 kJ/kg之间;因此，选择这个范围进行参数化研究。图4示了PCM潜热对、和时延的影响。可以看出，、的分值随着潜热的增加而减小。当潜热从187.2增加到250 kJ/kg时，当< < 0 > >、< 90 >和< 150 W/m2 K时，、< 0从65.34到58.72◦C下降了6.62◦C，从59.94到55.75◦C下降了4.19◦C，从56.47到54.47◦C分别下降了2◦C。随着潜热的增加，更多的电池热量可以储存在PCM中，因此，的显性区减少幅度最大，，的显性区减少。此外，PCM并没有完全融化在FF显性中，进一步增加潜势对，的减少贡献不大。潜热对PF优势、优势交换和FF优势的影响。可以观察到，当潜热从187.2增加到250 kJ/kg时，当潜热从187.2增加到250 kJ/kg时，PCM仍然完全熔化。然而，当W/m2 K为90和150w /m2 K时，时延从1下降到0.99，从0.99下降到0.92 。
图4 PCM潜热变化对、和ω的影响。
总结与展望
综上所述，对于基于pcm的混合式BTMS，在连续充电周期中，由于前一个充电周期的热量积累和热量去除不足，、的分值相对于前几个循环逐渐升高。增加带翅片或不带翅片的热管，通过提高散热率来减少热量积聚的影响。
对于附加翅片的基于PCM-HP的混合BTMS，在连续充放电循环中，特别是在高条件下，需要保持一个< <，> >，以便从LiB模块排出足够的热量。在本研究中，在环境温度为40℃时，翅片设计的热性能在< < 0.05，> >以下并不理想，而在< < 0.05，>以上才有效。
在PCM- hp混合BTMS系统中，最合适的鳍片设计是在PCM的潜热容和添加鳍片的区域的有效导热系数之间进行权衡。基于≥2，，≥60◦C，最小时延条件，发现PF = 0.83, FF = 0.14的鳍片设计(FD5)为研究条件下的最优鳍片设计。在第二次放电-充电循环结束时，对于对应于< 0.05，>的热去除率，采用PCM-HP混合BTMS的FD5设计的，≥分别从仅PCM的64.89°C和不带鳍壳的PCM+HP的62.85°C降至59.9°C。然而，与单独的PCM基本情况相比，FD5增加了大约13%的质量分数。
相变材料的潜热和导热系数对相变材料的热性能有显著影响。当潜热从187.2增加到250 kJ/kg时，，≥≥59.94°C，≤，。然而，PCM导热系数的增加对，的影响并不显著。