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解析动力电池被动热管理用相变材料-请君收藏

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发表时间:2018-03-22 11:25来源:美剧下载,美剧在线观看,美剧天堂-熊猫影视网

  在动力电池热管理系统中,空冷、液冷和相变材料是较为常用的三种冷却方式。其中前两种是主动热管理,第三种是被动热管理。


  相变材料做为被动式热管理方式用于动力电池热管理系统是一个新兴的发展方向,与传统空冷、液冷等方式相比,具有高效、节能、温度波动小、防止热失效等优点。


  相变材料在动力电池中的应用结构形式


  相变材料在电池包中的应用主要有两种结构形式:


  (1)电池单元直接置于相变材料中的包裹式形式,如图1和图2所示;


  (2)相变材料将电池单元夹在中间形成三明治夹层结构形式,如图2所示。


相变材料包裹电池式结构.png

  图1相变材料包裹电池式结构


相变材料包裹物及电池.png

  图2相变材料包裹物及电池


相变材料与电池三明治夹心结构.png

  图3相变材料与电池三明治夹心结构


  以上相变材料在电池包中的三种结构形式,其中第一种结构虽然换热效率高,比较适合各种柱状和其它异形电池使用,但结构复杂,对制造工艺要求较高。第二种结构结构简单、易操作,比较适合板状和块状形式的各种电池。


  动力电池中复合相变材料类型


  动力电池中复合相变材料的设计和制造主要考虑以下几方面因素:


  (1)适宜的相变温度和较大潜热;


  (2)其他热物理性能:导热系数高、热容大、密度高、体积变化率低、无相分离、低过冷度;


  (3)化学性质:无腐蚀、化学稳定性好、与容器相容、无毒、无易燃、无污染;


  (4)经济性要求:低成本、容易获得、可循环使用。


  对于相变材料的研究已经相对比较成熟,但大多数固液相变材料,尤其是中低温相变材料具有较低的导热系数,这直接使得相变材料在动力电池热管理系统应用中存在的最大问题是导热系数偏低(0.2W/mK左右),而在电池热热管理系统中则需要较快的吸收和放出热量,否则只有部分导热相变材料发生相变吸收或放出热量,将导致相变材料在热管理系统中的作用下降,在高温或大电流等极端条件下同样会发生电池热失控而造成安全问题。


  如何克服上述缺点,改善导热能力成为近年来国内外在动力电池用相变材料中的一个研究热点,研究方向主要集中在采用多孔泡沫金属和泡沫碳作为导热增强介质,相变材料被分散成小颗粒储藏在泡沫介质孔隙中,泡沫介质骨架起到强化传热作用,由此来显著提高整体复合相变材料的导热系数,同时相变材料中的空穴也因为毛细作用分散在孔隙中,避免了因空穴集中而产生的局部热阻和热应力。


  泡沫金属复合相变材料


  泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料。图4的扫描电镜照片显示了典型泡沫金属材料的微观结构,可以看到相互连通的孔隙部分占到了泡沫金属材料的绝大部分空间,其间的金属基体材料呈立体骨架结构。不同孔隙单元的结构并不完全相同,但是从较大范围来看则具有相似特性,这说明泡沫金属材料微观结构的均匀性和各向同性使得其导热过程的各向同性。


泡沫金属材料扫描电镜照片.png

  图4泡沫金属材料扫描电镜照片


  已实用并具有较大导热系数的泡沫金属主要有泡沫镍、泡沫铝和泡沫铜,如图5所示。


各种泡沫金属.png

  图5各种泡沫金属


  泡沫碳复合相变材料


  泡沫碳是碳元素的同素异形体之一,如图6所示,泡沫碳材料内部是中空的蜂窝状结构,其中70%~90%为开口或相通的蜂窝状孔洞,微孔的平均直径为200~500um,固体结构由相互交错的韧带支撑而成。如图7所示,泡沫碳的几何结构使其密度大幅度降低,比表面积极具增大,是一种具有低密度、高导热(导热系数高达200W/mK)、耐高温、耐腐蚀等优点的新型材料。


泡沫碳材料扫描电镜照片.png

  图6泡沫碳材料扫描电镜照片


  由此可见泡沫碳材料具有高的导热系数和稳定的化学性质,泡沫碳材料在石墨基材料中导热系数最高,并与相变材料具有良好的相容性,因此常用于相变材料的强化传热。相变材料渗入泡沫碳所构成的复合相变材料,其相变速率可大大提高,所以具有非常好的应用前景,已成为国内外研究的热点。


泡沫碳.png

  图7泡沫碳


  另外,泡沫碳是一种在石墨基体中均匀分布大量连通孔洞的新型高导热材料,相比于常见的膨胀石墨,泡沫碳有孔密度大、通孔率高、能够维持自身形状结构等特点,其导热系数要大于泡沫铜很多倍。与泡沫金属另外一个重要不同之处是因为泡沫碳材料内部气孔分布的不均匀性和孔径差异造成泡沫碳材料具有明显的各向异性,由此会造成泡沫碳复合相变材料的导热性能也具有明显的各向异性特征。


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