锂电池组混合散热系统的开发与优化 布拉沃汽车宣布投资12.7亿雷亚尔在巴西投资建设锂电池工厂

锂电池组混合散热系统的开发与优化 布拉沃汽车宣布投资12.7亿雷亚尔在巴西投资建设锂电池工厂， 

锂电池组混合散热系统的开发与优化

作者：张旭光、刘杨、Michael Halbig、Mrityunjay Singh、Amjad Almansour、郑义*

单位：美国东北大学；NASA Glenn研究中心；俄亥俄航空航天研究所

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.123912

研究概述

近日，美国东北大学机械与工业工程系博士生张旭光在导师郑义教授的指导下，与NASA Glenn研究中心共同开发并优化了一种专为无人机应用设计的先进混合散热系统。该系统采用了一种全新的电池胶囊，内部填充了相变材料（PCM）复合物，并添加2%的Huber纳米碳，使其表现出优异的导热性和稳定性。这些胶囊通过3D打印进行制造，PCM成分包括石蜡和纳米炭黑粉。热能模拟和实验结果表明，长短轴比为17.2/14.2毫米的椭圆形胶囊提供了最有效的散热效果，能够将电池维持在安全的工作温度范围内。与传统的充气胶囊和纯石蜡填充胶囊相比，填充PCM的胶囊在热能管理效率上表现出明显优势。该系统通过结合被动PCM冷却与主动空气冷却的方法，显著延长了电池的使用寿命和安全性，确保了最佳的温度调节。本研究强调了将添加纳米碳的PCM集成到高性能温度敏感设备中的潜力，为电动汽车、便携式电子设备和先进储能系统的广泛应用铺平了道路。该论文发表于 Applied Thermal Engineering。

研究内容

该研究的主要储能单位是18650锂电池。电池胶囊采用 3D 打印制造。所选材料是 Markforged 的 Onyx? 长丝，这是一种用切碎的碳纤维增强的超强复合材料。胶囊内添加了专用于 PCM 层的空隙空间，在 3D 打印过程中保持该空隙。然后，用一种特殊配方的复合材料（含有石蜡的纳米炭黑粉末）填充空隙空间。纳米炭黑可增强石蜡的热导系数，从而优化系统的热管理。该复合材料可提高系统的导热性和热分布效率。

图 1. 电池胶囊的配置。（a）圆柱形电池胶囊的透视图。（b）电池胶囊内相变过程的顺序视图，分为四个不同的阶段。（c）圆柱形电池胶囊的横截面。（d）椭圆形圆柱形电池胶囊的横截面。

环境气流从左向右流动。在图2a中，对于圆柱形胶囊，随着圆柱半径的增加，尾流区域的湍流显著增加。由于速度波动和涡流结构的增加，这种湍流通过圆柱体右侧不同色调的图案来表示。半径越大，尾流区域越宽，湍流越明显，因为分离物体的边界层越厚。在图2b和图2c中，分析了不同的水平和垂直轴比。图2b中研究椭圆形胶囊，与圆柱形胶囊相比，它有效降低了流动分离的锐度，从而产生了更平滑的尾流区域。然而，湍流特性与圆柱形胶囊中观察到的相似。图2c展示了一个更流线型的椭圆形胶囊，它进一步优化了尾流区域的流动附着。最后，图2d显示了一个椭圆形胶囊，其主半径（rma,i）较长。增加主半径（rma,i）的长度可以稳定流动并减少胶囊尾流区域的湍流。这是由于椭圆形胶囊的形状更具流线型，这使得气流在与外表面分离后能够更平稳地重新附着，从而最大程度地减少尾流区域的湍流尺寸和强度。与圆柱形胶囊相比，细长的椭圆形胶囊可以促进更多的层流模式，并且颜色图案的阴影更少。强烈的湍流导致热对流减少，从而减少电池散热。较大的大半径/小半径比（rma,i/rma,i)可以使胶囊更加流线型，从而减少尾流区域的湍流并增强散热能力。

图 2. 不同尺寸的圆柱形和椭圆形电池胶囊的气流速度分布。（a）圆柱形胶囊具有不同的半径（ros,i）。（b）椭圆形胶囊具有不同的初始主内半径（rma,i）和次内半径（rmi,i）。（c）椭圆形胶囊具有第二组不同的主内半径和次内半径（rma,i）。（d）椭圆形胶囊具有第三组不同的主内半径和次内半径。所有测量值均以毫米表示。

Cabot是微米级炭黑粉末，Huber是纳米级炭黑粉沫。图3b显示了各种Huber炭黑样品的温度曲线，展示了它们的相变持续时间。实验中，Cabot炭黑样品的平均相变持续时间为25分钟，而Huber和Cabot混合物为31分钟。值得注意的是，单独的Huber碳持续时间更长，为33分钟，使电池保持在安全温度范围内。为了进一步实验，选择Huber炭黑是因为它与石蜡的兼容性更好，加热效果优于Huber和Cabot混合物。更长的相变持续时间延长了电池的安全使用时间。低浓度Huber碳被认为是成本和性能的最佳平衡。图3a显示2%和4%浓度的加热速率相似。在评估相变持续时间后，1%、2%和4%的浓度表现出色。在稳定状态下，2%浓度的温度低于1%，证明其适合后续实验研究。

图3. 不同浓度炭黑样品的温度曲线及相变持续时间（a）相变材料的加热和冷却速率（b）相变持续时间温度曲线

空气冷却是锂电池混合热管理系统的重要组成部分。实验装置使用多速风扇模拟真实条件，平均风速为2.3米/秒，由风速计监测，环境温度为21.2°C，模拟无人机的动态运行条件。图4a展示了装有2% Huber纳米碳PCM的电池胶囊与空气填充对照样品的实验数据。记录的内护套温度指示电池温度，外护套温度显示与流动空气的热交换情况。尽管两个样品的外护套温度相似，但内护套温度差异明显；PCM填充的胶囊有效散热，将电池保持在安全温度范围内，而空气填充的胶囊导致电池过热，显示了PCM设计的优越热能管理效率。图4b比较了PCM填充胶囊和纯石蜡填充胶囊的性能，结果显示，尽管两种设计都有效散热，PCM设计的传热效率更高，从而降低电池温度，表明PCM填充设计在环境温度升高时更有效。被动PCM冷却和主动空气冷却的集成可防止过热，确保电池在高负载条件下保持最佳温度范围，从而延长电池寿命和安全性。

图 4. 空气冷却性能比较分析：（a）PCM 填充胶囊与空气填充胶囊，（b）PCM 填充胶囊与石蜡填充胶囊。

差示扫描量热法 (DSC) 图表详细检查了纯石蜡及其通过不同浓度的 Huber 炭黑增强后的热性能。DSC 分析表明，与纯石蜡相比，加入 Huber 纳米碳的PCM热容量较低。尽管加入 1% 至 5% 的 Huber碳黑会降低 PCM 的潜热，但导热性和传热效率显著提高。纯石蜡的峰值温度为 51.62°C，焓为 136.65 J/g。1% Huber 的峰值温度为 51.3°C，焓为 133.79 J/g，略低于纯石蜡。2% Huber 的峰值温度为 50.99°C，焓为 136.76 J/g，与纯石蜡非常接近，显示出最佳平衡。3% Huber的峰值温度为 51.33°C，焓为 130.85 J/g。4% Huber 的峰值温度为 51.43°C，焓为 132.77 J/g。5% Huber 的峰值温度为 51.32°C，归一化焓为 131.68 J/g。所有样品的起始温度约为 41°C，结束温度约为 54°C。2% Huber 样品保持了高潜热容量并提供了更好的导热性，是增强热管理系统的最佳选择。

图 5. 选定样品的 DSC 测试。

图 6. 石蜡填充胶囊和PCM填充胶囊六个不同阶段的热成像图片

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布拉沃汽车宣布投资12.7亿雷亚尔在巴西投资建设锂电池工厂

中国驻巴西大使馆经济商务处消息，巴西《时代》网站7月23日消息，布拉沃汽车公司（BRAVO MOTOR COMPANY）宣布将投资12.7亿雷亚尔（近期1美元约合5.5雷亚尔），在巴伊亚州建设其在拉丁美洲的首家锂电池工厂。2021年，该企业曾与米纳斯吉拉斯州州政府就在巨人产业集群园区“Colossus Cluster”建设电动汽车工厂项目签署了合作意向协议，当时预计项目总投资额近250亿雷亚尔，但在泽马州长发表电动汽车对巴西就业构成威胁的声明之后，加之该州并未给予足够优惠的投资政策条件，布拉沃汽车公司决定迁址到巴伊亚州，预计工厂建成后，产能将达每年2吉瓦时，创造13500个直接就业和间接就业岗位。瑞典ABB公司和美国机械自动化企业罗克韦尔自动化公司等跨国企业预计仍将作为合作伙伴参与该项目。布拉沃汽车公司最早创建于阿根廷，后在美国注册，注册名为ArqBravo Group，布拉沃汽车公司为其在巴西的子公司。