四川
论文信息：
Chen, K., Huang, Q., Li, Q. Y., Liang, S., & Wu, X. Optimization strategy for battery thermal management system with phase change materials, aerogel and cold plates. International Journal of Heat and Mass Transfer, 221, 125070 (2024).
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.125070
研究背景
随着电动汽车的发展，电池热管理系统对于电池组的性能和安全至关重要。介绍不同的电池热管理技术，包括空气冷却、液体冷却、热管冷却和相变材料冷却。其中，相变材料与冷板相结合的系统被广泛应用于电动汽车中，因为它能够兼具相变材料的温度均匀化和冷板的高效冷却优势。然而，现有系统中的一部分相变材料并没有经历相变，随着负荷增加，这部分相变材料对冷却性能的贡献较小。因此，提出一种优化策略，通过使用轻质阻燃材料气凝胶替代未熔化的相变材料，以减轻系统的重量。通过将相变材料放置在高温区域，可以通过几个调整步骤来获得优化的系统。优化后，电池组内的最高温度和温度差分别降低了1.0K和49％，填充材料的重量减少了45％。这种优化策略可以同时提高系统的冷却性能和轻量化性能，具有很大的潜力。
图文导读
图1. 结合PCMs/FRMs和CPs的BTMS方案:(a)三维系统;(b)对称
图2.平行通道冷板方案
图3.不同系统温度:(a) Tmax随时间的变化;(b)电池温度
图4. 不同系统的温度曲线:(a) BTMS PCM;(b) BTMS CP;(c) BTMS PCM-CP
图5.不同时间BTMS PCM-CP中PCMs的液分轮廓图:(a) t=420s;(b) t=520 s;(c) t=620s;(d) t=720s
图6.优化过程流程图
图7. Tmax和ΔT随调整步长变化
图8. 加热过程完成后的系统轮廓图:(a)BTMS PCM/FRM-CP-opt1温度;(b)BTMS PCM/FRM-CP-opt1液相组分;(c) BTMS PCM/FRM-CP-opt2温度;(d)BTMS PCM/FRM-CP-opt2的液相组分
图9.不同φ0值下的系统性能
结论与展望
提出了一种优化PCMs/FRMs分布的策略，以提高系统的冷却性能。数值结果表明，该策略只需14步调整即可达到最优的物料分配，有效地提高了系统的性能。Tmax和ΔT分别降低1.0K和49%。此外，未熔化的PCMs被更轻的FRMs取代，电池单元间填充材料的重量减少了45%，系统的冷却性能不受影响。未来的研究可以进一步优化电池热管理系统的设计，提高系统的冷却效率和温度控制能力。可以考虑采用其他新型材料或结构，如石墨烯、纳米流体等，来改善系统的热传导性能。此外，还可以研究不同工况下的系统性能，以更好地满足电池在实际应用中的需求。
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