相變材料變翅片結(jié)構(gòu)對動力電池散熱性能的影響與優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球汽車產(chǎn)業(yè)向電動化方向的快速邁進(jìn)，電動汽車作為新能源汽車的重要代表，其技術(shù)發(fā)展和市場推廣備受關(guān)注。動力電池作為電動汽車的核心部件，如同汽車的“心臟”，其性能、壽命和安全性直接決定了電動汽車的整體性能和市場競爭力。鋰離子電池憑借其高能量密度、長循環(huán)壽命、無記憶效應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為目前電動汽車應(yīng)用最為廣泛的動力電池類型。然而，鋰離子電池在充放電過程中不可避免地會產(chǎn)生大量熱量，這一問題嚴(yán)重制約了其性能表現(xiàn)和應(yīng)用范圍。當(dāng)電池溫度過高時，會加速電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率，導(dǎo)致電池容量快速衰減，循環(huán)壽命大幅縮短。研究表明，電池溫度每升高10℃，其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率約增大一倍，而電池壽命則會減少一半。在高溫環(huán)境下，電池內(nèi)部的活性物質(zhì)還可能發(fā)生死區(qū)和析鋰現(xiàn)象，進(jìn)一步降低電池的容量和功率。當(dāng)電池模塊內(nèi)部溫度分布不均勻時，會加劇電池內(nèi)阻和容量的不一致性，長期積累可能導(dǎo)致部分電池過充電或過放電，不僅影響電池的壽命和性能，還會帶來嚴(yán)重的安全隱患，如起火、爆炸等。在電動汽車行駛過程中，尤其是在快速充電、高負(fù)荷放電等工況下，電池的發(fā)熱量會顯著增加，如果不能及時有效地散熱，將會對電池和車輛的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。適宜的工作溫度是電池良好性能發(fā)揮的前提，不同種類電池具有不同的最佳工作溫度范圍，例如鋰電池為20-30°C。為了確保電池能夠在最佳溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，開發(fā)高效可靠的散熱系統(tǒng)成為電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，常見的動力電池散熱方式主要包括風(fēng)冷、液冷、熱管冷卻和相變材料冷卻等。風(fēng)冷方式結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但由于空氣比熱容低，散熱能力有限，難以滿足高功率電池系統(tǒng)的散熱需求；液冷方式散熱效率較高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在漏液風(fēng)險，且成本相對較高；熱管冷卻方式具有良好的導(dǎo)熱性能，但制造工藝復(fù)雜，成本也較高。相變材料（PhaseChangeMaterial，PCM）作為一種新型的散熱材料，在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。相變材料在相變過程中能夠吸收或釋放大量的潛熱，從而實(shí)現(xiàn)對電池溫度的有效控制，維持電池溫度的相對恒定和均勻。與傳統(tǒng)散熱方式相比，相變材料具有不需要運(yùn)動部件、不耗費(fèi)電池額外能量、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效彌補(bǔ)其他散熱方式的不足。然而，相變材料也存在一些局限性，如熱導(dǎo)率較低，當(dāng)電池局部發(fā)熱量過大時，導(dǎo)熱不及時容易形成高溫，影響電池性能和壽命，且相變材料的相變溫度和潛熱等性能參數(shù)需要根據(jù)電池的實(shí)際工作需求進(jìn)行優(yōu)化選擇。翅片作為一種常用的強(qiáng)化傳熱元件，能夠有效增加散熱面積，提高散熱效率。將翅片與相變材料相結(jié)合，形成相變材料變翅片結(jié)構(gòu)，有望進(jìn)一步提升電池的散熱性能。通過合理設(shè)計翅片的形狀、尺寸和布局，可以增強(qiáng)相變材料與電池之間的熱傳遞，改善相變材料的散熱效果，從而更好地滿足動力電池對散熱性能的要求。對基于相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的動力電池散熱性能進(jìn)行深入研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。從理論層面來看，該研究有助于深入揭示相變材料在變翅片結(jié)構(gòu)下的傳熱機(jī)理和熱性能變化規(guī)律，豐富和完善電池?zé)峁芾淼睦碚擉w系，為新型散熱材料和結(jié)構(gòu)的研發(fā)提供理論支持。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，通過優(yōu)化相變材料變翅片結(jié)構(gòu)，能夠顯著提升動力電池的散熱性能，確保電池在各種工況下都能穩(wěn)定、安全地工作，延長電池的使用壽命，降低電動汽車的使用成本，促進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)傳統(tǒng)的動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要包括風(fēng)冷、液冷、熱管冷卻等方式，每種方式都有其獨(dú)特的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及適用場景。風(fēng)冷是一種較為常見且簡單的散熱方式，它主要利用空氣作為冷卻介質(zhì)，通過空氣的流動來帶走電池產(chǎn)生的熱量。風(fēng)冷系統(tǒng)可分為自然對流冷卻和強(qiáng)制對流冷卻。自然對流冷卻是依靠空氣的自然流動實(shí)現(xiàn)散熱，無需額外的動力設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但其散熱效果相對較弱，僅適用于電池發(fā)熱量較小的情況。強(qiáng)制對流冷卻則借助風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備，使空氣以較高的速度流過電池表面，從而增強(qiáng)散熱效果。強(qiáng)制對流冷卻能夠根據(jù)電池的發(fā)熱情況靈活調(diào)節(jié)風(fēng)量，適用于電池發(fā)熱量較大或?qū)ι嵋筝^高的場景。例如，在一些早期的電動汽車中，風(fēng)冷系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，通過合理設(shè)計風(fēng)道和風(fēng)扇布局，能夠在一定程度上滿足電池的散熱需求。然而，風(fēng)冷方式也存在明顯的局限性。由于空氣的比熱容較小，其攜帶熱量的能力有限，在電池發(fā)熱量較大時，難以迅速有效地降低電池溫度，導(dǎo)致電池溫度過高，影響電池性能和壽命。此外，風(fēng)冷系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的加熱效果不佳，需要額外的加熱裝置來提升電池溫度，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。而且，風(fēng)冷系統(tǒng)容易受到環(huán)境因素的影響，如灰塵、濕度等，可能會導(dǎo)致散熱性能下降。液冷技術(shù)以液體作為傳熱介質(zhì)，通過液體在電池內(nèi)部或外部的循環(huán)流動來吸收和帶走熱量。常用的冷卻液體包括水、乙二醇水溶液、礦物油等。液冷系統(tǒng)的工作原理是利用液體的高比熱容和良好的導(dǎo)熱性能，將電池產(chǎn)生的熱量傳遞到散熱器，再通過散熱器將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。液冷系統(tǒng)具有散熱效率高、溫度均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效滿足高功率電池系統(tǒng)的散熱需求。例如，在一些高端電動汽車中，采用了液冷系統(tǒng)，通過精心設(shè)計的冷卻管道和冷卻液流量控制，能夠使電池溫度保持在較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)，大大提高了電池的性能和壽命。然而，液冷系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要配備水泵、散熱器、管道等部件，增加了系統(tǒng)的成本和重量。同時，液冷系統(tǒng)存在漏液的風(fēng)險，如果冷卻液泄漏，可能會對電池和車輛造成嚴(yán)重?fù)p壞。此外，液冷系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)也相對復(fù)雜，需要定期檢查冷卻液的液位和質(zhì)量。熱管冷卻技術(shù)是一種高效的傳熱技術(shù)，它利用熱管內(nèi)部工作液體的相變來實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳遞。熱管由管殼、吸液芯和工作液體組成，當(dāng)熱管的一端受熱時，工作液體吸收熱量蒸發(fā)成蒸汽，蒸汽在壓差的作用下迅速流向熱管的另一端，在另一端遇冷后凝結(jié)成液體，釋放出潛熱，然后液體在吸液芯的毛細(xì)作用下回流到受熱端，完成一個循環(huán)。熱管具有極高的導(dǎo)熱性能，能夠在短時間內(nèi)將大量熱量從熱源傳遞到冷源，且具有等溫性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。在動力電池散熱中，熱管冷卻技術(shù)能夠有效提高散熱效率，降低電池溫度，改善電池的溫度均勻性。例如，一些研究將熱管應(yīng)用于電池模組中，通過合理布置熱管，實(shí)現(xiàn)了電池模塊的高效散熱。但是，熱管冷卻技術(shù)也存在一些不足之處。熱管的制造工藝復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。而且，熱管的性能受工作液體的種類、充液量以及工作溫度等因素的影響較大，如果這些參數(shù)選擇不當(dāng)，可能會導(dǎo)致熱管性能下降。此外，熱管在長期使用過程中，可能會出現(xiàn)工作液體泄漏、吸液芯干涸等問題，影響熱管的使用壽命和散熱效果。1.2.2相變材料在動力電池散熱中的應(yīng)用相變材料是一類具有特殊熱性能的材料，在溫度變化時能夠發(fā)生相變，如從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)或從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，在相變過程中會吸收或釋放大量的潛熱，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的有效控制。相變材料在動力電池散熱中的應(yīng)用主要基于其相變潛熱特性，當(dāng)電池溫度升高到相變材料的相變溫度時，相變材料開始發(fā)生相變，吸收電池產(chǎn)生的熱量，從而抑制電池溫度的上升；當(dāng)電池溫度降低到相變溫度以下時，相變材料發(fā)生反向相變，釋放出儲存的熱量，使電池溫度保持相對穩(wěn)定。這種特性使得相變材料能夠在一定溫度范圍內(nèi)維持電池溫度的恒定，有效避免電池因溫度過高或過低而導(dǎo)致的性能下降和壽命縮短。相變材料根據(jù)化學(xué)成分可分為無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料。無機(jī)相變材料如結(jié)晶水合鹽、熔融鹽等，具有較高的相變潛熱和熱導(dǎo)率，但存在過冷度較大、易發(fā)生相分離和腐蝕性較強(qiáng)等問題。有機(jī)相變材料如石蠟、脂肪酸等，具有過冷度低、化學(xué)穩(wěn)定性好、無腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，但熱導(dǎo)率相對較低。復(fù)合相變材料則是將無機(jī)和有機(jī)相變材料的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，通過物理或化學(xué)方法將兩種或多種材料復(fù)合在一起，以提高相變材料的綜合性能。例如，將高導(dǎo)熱的金屬粉末或石墨等與有機(jī)相變材料復(fù)合，可以有效提高相變材料的熱導(dǎo)率；將無機(jī)相變材料與有機(jī)高分子材料復(fù)合，可以改善無機(jī)相變材料的穩(wěn)定性和成型性。在動力電池散熱中，不同類型的相變材料各有其適用場景。對于發(fā)熱量較小、對溫度控制要求相對較低的電池系統(tǒng)，可以選擇成本較低、性能較為穩(wěn)定的有機(jī)相變材料；對于發(fā)熱量較大、對散熱效率和溫度均勻性要求較高的電池系統(tǒng)，則可以考慮使用復(fù)合相變材料，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。相變材料在動力電池散熱中的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢。相變材料在相變過程中能夠吸收或釋放大量的潛熱，其儲能密度比傳統(tǒng)的顯熱儲能材料高得多，能夠在較小的體積內(nèi)儲存更多的熱量，從而有效地降低電池的溫度峰值，減少電池因過熱而導(dǎo)致的性能衰減。與風(fēng)冷、液冷等需要外部動力設(shè)備的散熱方式不同，相變材料在工作過程中無需額外的能量輸入，僅依靠自身的相變過程就能實(shí)現(xiàn)熱量的吸收和釋放，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、無噪音等優(yōu)點(diǎn)，不會增加電池系統(tǒng)的能耗和復(fù)雜性。相變材料能夠在相變溫度附近維持相對恒定的溫度，有效減少電池模塊內(nèi)部的溫度梯度，使電池各部分的溫度分布更加均勻，從而避免因溫度不均而導(dǎo)致的電池性能不一致和壽命縮短問題。相變材料的應(yīng)用形式多樣，可以根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)和散熱需求進(jìn)行靈活設(shè)計，如制成相變材料片、相變材料模塊等，方便與電池系統(tǒng)集成。然而，相變材料在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些局限性。大多數(shù)相變材料的熱導(dǎo)率較低，在電池發(fā)熱量較大時，熱量難以快速傳遞，導(dǎo)致相變材料內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度，影響其相變過程的均勻性和散熱效果。為了解決這一問題，研究人員通常采用添加高導(dǎo)熱添加劑、構(gòu)建導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)等方法來提高相變材料的熱導(dǎo)率，但這些方法往往會增加相變材料的成本和制備工藝的復(fù)雜性。相變材料的相變溫度和潛熱等性能參數(shù)是固定的，難以滿足不同類型電池在不同工況下的多樣化散熱需求。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)電池的工作溫度范圍和發(fā)熱量等因素，精確選擇和匹配相變材料的性能參數(shù)，這增加了相變材料應(yīng)用的難度和成本。此外，相變材料在長期使用過程中，可能會發(fā)生相變性能退化、材料老化等問題，影響其散熱效果和使用壽命。而且，相變材料的封裝和防護(hù)也是一個重要問題，如果封裝不當(dāng)，相變材料可能會與外界環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致性能下降甚至失效。1.2.3相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展為了進(jìn)一步提高相變材料在動力電池散熱中的性能，研究人員將翅片結(jié)構(gòu)引入相變材料中，形成相變材料變翅片結(jié)構(gòu)。翅片作為一種高效的散熱元件，能夠顯著增加散熱面積，強(qiáng)化傳熱過程。通過合理設(shè)計翅片的形狀、尺寸和布局，可以有效改善相變材料的散熱性能，提高電池的熱管理效果。在翅片形狀方面，常見的有平直翅片、波紋翅片、鋸齒翅片、螺旋翅片等。平直翅片結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造，成本較低，但其散熱效率相對較低。波紋翅片通過增加表面積和擾流效果，能夠有效提高散熱性能，在相同條件下，波紋翅片的散熱效率比平直翅片可提高10%-30%。鋸齒翅片則通過在翅片表面設(shè)置鋸齒狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了空氣的擾動，促進(jìn)了熱量的傳遞，其散熱性能優(yōu)于波紋翅片。螺旋翅片能夠在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的散熱面積，并且具有良好的空氣導(dǎo)流效果，適用于空間受限的電池系統(tǒng)。不同形狀的翅片對相變材料散熱性能的影響主要體現(xiàn)在散熱面積、空氣流動特性和傳熱系數(shù)等方面。研究表明，復(fù)雜形狀的翅片能夠增加空氣與翅片表面的接觸面積，提高空氣的流速和湍流程度，從而增強(qiáng)對流傳熱效果，提高相變材料的散熱效率。翅片數(shù)量和間距也是影響相變材料散熱性能的重要因素。增加翅片數(shù)量可以增大散熱面積，從而提高散熱效率，但翅片數(shù)量過多會導(dǎo)致空氣流動阻力增大，影響空氣的流通，反而降低散熱效果。翅片間距過小會使空氣在翅片間的流動受到阻礙，形成死區(qū)，降低傳熱效率；翅片間距過大則會減少散熱面積，同樣不利于散熱。因此，需要通過優(yōu)化翅片數(shù)量和間距，找到一個最佳的平衡點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最佳的散熱效果。相關(guān)研究指出，當(dāng)翅片間距在5-10mm范圍內(nèi)時，相變材料的散熱性能較好，此時既能保證足夠的散熱面積，又能使空氣在翅片間順暢流動。翅片的高度和厚度也會對散熱性能產(chǎn)生影響。增加翅片高度可以增大散熱面積，提高散熱效率，但翅片高度過高會導(dǎo)致翅片根部與頂部的溫度差增大，熱阻增加，從而降低散熱效果。翅片厚度增加可以提高翅片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但同時也會增加熱阻，降低傳熱效率。因此，在設(shè)計翅片高度和厚度時，需要綜合考慮散熱需求、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和成本等因素，進(jìn)行合理優(yōu)化。例如，在一些對散熱要求較高的電池系統(tǒng)中，可以適當(dāng)增加翅片高度，但要通過優(yōu)化翅片材料和結(jié)構(gòu)，降低熱阻，保證散熱效果；在對成本和空間要求較為嚴(yán)格的情況下，則需要在保證散熱性能的前提下，盡量減小翅片厚度。盡管目前關(guān)于相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的研究取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有的研究大多集中在單一因素對散熱性能的影響，如翅片形狀、數(shù)量或間距等，而對多個因素之間的相互作用和協(xié)同效應(yīng)研究較少。在實(shí)際應(yīng)用中，這些因素往往相互關(guān)聯(lián)，共同影響相變材料的散熱性能，因此需要開展多因素耦合的研究，以更全面地揭示相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱機(jī)理。目前的研究主要以數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究為主，缺乏系統(tǒng)的理論分析和模型建立。雖然數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^地得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的散熱性能數(shù)據(jù)，但難以從理論層面深入理解傳熱過程和相變機(jī)理，不利于對相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和性能預(yù)測。此外，現(xiàn)有研究主要關(guān)注相變材料變翅片結(jié)構(gòu)在常規(guī)工況下的散熱性能，而對電池在極端工況下，如快速充電、高負(fù)荷放電、高溫或低溫環(huán)境等條件下的散熱性能研究較少。在這些極端工況下，電池的發(fā)熱量和溫度變化更為復(fù)雜，對相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱性能提出了更高的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步深入研究。二、相變材料與變翅片結(jié)構(gòu)作用原理2.1相變材料的特性與工作原理相變材料是指在特定溫度范圍內(nèi)，通過物質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變來吸收或釋放大量潛熱，從而實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境溫度有效調(diào)控的一類特殊材料。這種獨(dú)特的性質(zhì)使得相變材料在眾多領(lǐng)域，如建筑節(jié)能、電子設(shè)備散熱、太陽能利用以及冷鏈物流等，都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。根據(jù)相變過程中物態(tài)的變化，相變材料主要可分為固-固相變材料、固-液相變材料、固-氣相變材料和液-氣相變材料四大類。固-固相變材料在相變過程中，從一種固相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固相，其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這種相變過程通常伴隨著較小的體積變化，且無相分離問題，具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性。例如，某些高分子材料、金屬合金等，它們在固態(tài)下通過晶格結(jié)構(gòu)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)能量的吸收和釋放。但這類材料一般相變潛熱相對較低，限制了其在一些對儲能密度要求較高場合的應(yīng)用。固-液相變材料在達(dá)到特定溫度時，會從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，這個過程中吸收大量的潛熱，從而起到降溫作用；當(dāng)溫度降低時，又從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，釋放出儲存的熱量。這類相變材料相變潛熱較大，儲能密度高，應(yīng)用較為廣泛，如石蠟、脂肪酸以及結(jié)晶水合鹽等。石蠟作為一種常見的有機(jī)固-液相變材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、無腐蝕性、價格相對低廉等優(yōu)點(diǎn)，但其熱導(dǎo)率較低，限制了其傳熱速度；結(jié)晶水合鹽則屬于無機(jī)固-液相變材料，擁有較高的相變潛熱和熱導(dǎo)率，但存在過冷度較大、易發(fā)生相分離等問題，需要通過添加成核劑和防相分離劑等方式進(jìn)行改進(jìn)。固-氣相變材料和液-氣相變材料在相變過程中伴隨著較大的體積變化和蒸汽壓力變化，使用時需要特殊的密封和耐壓裝置，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，因此在實(shí)際應(yīng)用中相對較少。例如，水在一定條件下的汽化和凝結(jié)過程屬于液-氣相變，但由于其相變條件較為苛刻，在普通的熱管理系統(tǒng)中難以廣泛應(yīng)用。相變材料的工作原理基于其在相變過程中的潛熱效應(yīng)。以固-液相變?yōu)槔?dāng)環(huán)境溫度升高并達(dá)到相變材料的熔點(diǎn)時，相變材料開始從固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，在這個過程中，它會吸收大量的熱量，這些熱量主要用于克服分子間的作用力，使分子的排列方式從有序的固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的液態(tài)，而材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變，形成一個相對穩(wěn)定的溫度平臺。這就意味著在相變過程中，即使外界持續(xù)提供熱量，相變材料也能通過吸收潛熱將溫度控制在熔點(diǎn)附近，有效地抑制溫度的上升。相反，當(dāng)環(huán)境溫度降低到相變材料的凝固點(diǎn)時，相變材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，釋放出之前儲存的潛熱，同樣能使溫度保持在一定范圍內(nèi)，避免溫度過低。這種在相變過程中吸收和釋放大量潛熱的特性，使得相變材料能夠在一定溫度區(qū)間內(nèi)對周圍環(huán)境的溫度起到緩沖和調(diào)節(jié)作用，為需要精確溫度控制的系統(tǒng)提供了一種高效、節(jié)能的解決方案。2.2變翅片結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱的機(jī)理翅片作為一種廣泛應(yīng)用的強(qiáng)化傳熱元件，在相變材料熱管理系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其主要通過增加散熱面積和加速熱量傳導(dǎo)兩個方面來實(shí)現(xiàn)傳熱強(qiáng)化。從增加散熱面積的角度來看，根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，物體的傳熱量與傳熱面積成正比。在相變材料中引入翅片結(jié)構(gòu)，能夠顯著增大與周圍環(huán)境的接觸面積，從而為熱量的傳遞提供更多的路徑。以一個簡單的平板式相變材料散熱器為例，在未添加翅片時，其散熱面積僅為平板的兩個表面；而當(dāng)安裝翅片后，翅片的表面積與平板表面積之和構(gòu)成了總的散熱面積，使得散熱面積大幅增加。假設(shè)翅片的高度為h，長度為l，厚度為δ，翅片數(shù)量為n，平板的面積為A，則添加翅片后的總散熱面積A_{total}可表示為A_{total}=A+2n(lh+lδ)，其中2n(lh+lδ)即為翅片增加的散熱面積。從這個公式可以直觀地看出，隨著翅片數(shù)量的增加、高度的增大以及長度的增長，散熱面積會相應(yīng)增大，進(jìn)而提高傳熱量。例如，在一些電子設(shè)備的散熱模塊中，通過密集排列的翅片結(jié)構(gòu)，使得散熱面積相比無翅片時增加了數(shù)倍，有效地提升了散熱效率，確保了電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。在加速熱量傳導(dǎo)方面，翅片通常采用高導(dǎo)熱材料制成，如銅、鋁等金屬。這些材料具有較低的熱阻，能夠快速地將熱量從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域。當(dāng)電池產(chǎn)生的熱量傳遞到與相變材料接觸的翅片根部時，由于翅片的高導(dǎo)熱性能，熱量會迅速沿著翅片的長度方向傳導(dǎo)，使得翅片表面的溫度相對均勻，從而避免了熱量在局部區(qū)域的積聚。根據(jù)傅里葉定律，熱流密度q與溫度梯度成正比，與材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ成反比，即q=-λ\frac{dT}{dx}，其中\(zhòng)frac{dT}{dx}為溫度梯度。在翅片內(nèi)部，由于導(dǎo)熱系數(shù)λ較大，相同的熱流密度下，溫度梯度\frac{dT}{dx}較小，意味著熱量能夠更順暢地傳導(dǎo)。此外，翅片的存在還改變了相變材料內(nèi)部的溫度分布，促進(jìn)了相變材料的相變過程。當(dāng)相變材料吸收熱量發(fā)生相變時，靠近翅片的部分相變速度更快，因?yàn)槌崞軌蚣皶r將熱量傳遞出去，維持相變材料與翅片之間的溫度差，使得相變過程持續(xù)進(jìn)行，進(jìn)一步提高了散熱效率。不同形狀的翅片對傳熱有著顯著的影響，這主要體現(xiàn)在對空氣流動特性和傳熱系數(shù)的改變上。常見的翅片形狀包括平直翅片、波紋翅片、鋸齒翅片和螺旋翅片等。平直翅片結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，但其對空氣的擾動作用較小，傳熱系數(shù)相對較低。在低風(fēng)速和低熱流密度的情況下，平直翅片能夠滿足一定的散熱需求，但當(dāng)散熱要求較高時，其散熱性能就顯得不足。波紋翅片通過在翅片表面設(shè)置波紋結(jié)構(gòu)，增加了翅片的表面積和空氣的擾動程度。當(dāng)空氣流經(jīng)波紋翅片時，會在波紋的起伏處形成湍流，打破了空氣邊界層，使得空氣與翅片表面的換熱更加充分，從而提高了傳熱系數(shù)。研究表明，在相同的工況下，波紋翅片的傳熱系數(shù)比平直翅片可提高20%-50%，尤其在中等風(fēng)速和熱流密度條件下，波紋翅片的優(yōu)勢更為明顯。鋸齒翅片則在翅片邊緣設(shè)置鋸齒狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了空氣的擾動效果。鋸齒的存在使得空氣在流動過程中不斷地發(fā)生分離和再附著，形成了復(fù)雜的流場，極大地提高了空氣與翅片之間的換熱效率。與波紋翅片相比，鋸齒翅片在高風(fēng)速和高熱流密度的情況下表現(xiàn)出更好的散熱性能，其傳熱系數(shù)可提高30%-70%，但同時也會導(dǎo)致空氣流動阻力的增加，需要在散熱性能和阻力之間進(jìn)行權(quán)衡。螺旋翅片則通過將翅片呈螺旋狀纏繞在基管上，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了更大的散熱面積，并且具有良好的空氣導(dǎo)流效果。螺旋翅片能夠引導(dǎo)空氣沿著螺旋方向流動，形成螺旋狀的氣流，增強(qiáng)了空氣的混合和換熱，適用于空間受限且對散熱要求較高的場合，如一些緊湊型的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。2.3相變材料與變翅片結(jié)構(gòu)協(xié)同散熱機(jī)制相變材料與變翅片結(jié)構(gòu)在動力電池散熱過程中協(xié)同工作，形成了一種高效的散熱機(jī)制，能夠有效提升電池的散熱性能，確保電池在安全穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。其協(xié)同散熱過程主要包括以下幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：熱量傳遞、相變調(diào)控和對流強(qiáng)化。在熱量傳遞環(huán)節(jié)，當(dāng)動力電池在充放電過程中產(chǎn)生熱量時，熱量首先通過熱傳導(dǎo)的方式從電池表面?zhèn)鬟f到與之緊密接觸的相變材料。由于相變材料具有一定的導(dǎo)熱系數(shù)，能夠?qū)崃恐饾u吸收并在材料內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散。然而，由于相變材料本身熱導(dǎo)率較低，單純依靠相變材料自身的導(dǎo)熱能力，難以快速有效地將大量熱量傳遞出去。此時，翅片結(jié)構(gòu)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。翅片通常采用高導(dǎo)熱材料制成，如銅、鋁等金屬，其導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于相變材料。熱量從相變材料傳遞到翅片根部后，借助翅片的高導(dǎo)熱性能，能夠迅速沿著翅片的長度方向傳導(dǎo)，將熱量快速分散到更大的面積上。例如，在一個典型的相變材料變翅片結(jié)構(gòu)中，翅片的導(dǎo)熱系數(shù)是相變材料的數(shù)十倍，使得熱量能夠在短時間內(nèi)從電池表面?zhèn)鬟f到翅片的各個部位，大大提高了熱量傳遞的速度和效率。隨著電池?zé)崃康牟粩噍斎?，相變材料的溫度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到相變材料的相變溫度時，相變調(diào)控環(huán)節(jié)開始發(fā)揮作用。相變材料從固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，在這個相變過程中，相變材料會吸收大量的潛熱。根據(jù)相變材料的特性，每單位質(zhì)量的相變材料在相變過程中吸收的潛熱是一個固定值，例如，常見的石蠟相變材料在相變過程中吸收的潛熱可達(dá)200-300kJ/kg。這些潛熱的吸收能夠有效地抑制電池溫度的上升，使電池溫度保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。同時，翅片的存在也對相變過程產(chǎn)生了重要影響。翅片表面溫度相對較低，形成了一個溫度梯度，促使相變材料中的熱量不斷向翅片傳遞，加速了相變材料的相變過程。在相變材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程中，液態(tài)部分會在重力和毛細(xì)力的作用下在翅片表面流動，進(jìn)一步增強(qiáng)了熱量的傳遞和分布的均勻性。在相變材料發(fā)生相變的同時，對流強(qiáng)化環(huán)節(jié)也在協(xié)同作用。當(dāng)翅片表面溫度升高時，周圍空氣與翅片之間形成溫度差，從而引發(fā)自然對流或強(qiáng)制對流。在自然對流情況下，空氣受熱后密度減小，向上運(yùn)動，形成自然的空氣流動，將熱量帶走。而在強(qiáng)制對流情況下，通過風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備，使空氣以較高的速度流過翅片表面，進(jìn)一步增強(qiáng)了對流換熱效果。翅片的形狀和布局對對流換熱有著重要影響。例如，波紋翅片、鋸齒翅片等復(fù)雜形狀的翅片能夠增加空氣的擾動，破壞空氣邊界層，使空氣與翅片表面的換熱更加充分，從而提高對流換熱系數(shù)。研究表明，與平直翅片相比，波紋翅片在相同條件下可使對流換熱系數(shù)提高20%-50%，鋸齒翅片則可提高30%-70%。此外，翅片的間距和排列方式也會影響空氣的流動阻力和換熱效率，合理的翅片間距和排列方式能夠使空氣在翅片間順暢流動，同時保證足夠的換熱面積，實(shí)現(xiàn)最佳的對流換熱效果。相變材料與變翅片結(jié)構(gòu)的協(xié)同散熱效果受到多種因素的影響，包括相變材料的性能參數(shù)、翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工作條件等。相變材料的相變溫度、相變潛熱和熱導(dǎo)率等性能參數(shù)直接決定了其在散熱過程中的作用效果。相變溫度應(yīng)與電池的工作溫度范圍相匹配，以確保相變材料能夠在電池需要散熱時及時發(fā)生相變；相變潛熱越大，相變材料能夠吸收的熱量就越多，對電池溫度的抑制作用就越強(qiáng)；而提高相變材料的熱導(dǎo)率則可以加快熱量的傳遞速度，改善散熱效果。翅片的形狀、數(shù)量、間距、高度和厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)也會對協(xié)同散熱效果產(chǎn)生顯著影響。不同形狀的翅片具有不同的傳熱和流動特性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的翅片形狀；翅片數(shù)量和間距的優(yōu)化能夠在保證散熱面積的同時，減小空氣流動阻力，提高對流換熱效率；翅片高度和厚度的合理設(shè)計則需要綜合考慮散熱需求、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和成本等因素。工作條件如電池的發(fā)熱量、環(huán)境溫度和空氣流速等也會影響相變材料與變翅片結(jié)構(gòu)的協(xié)同散熱效果。在電池發(fā)熱量較大或環(huán)境溫度較高時，需要更強(qiáng)的散熱能力來維持電池的正常工作溫度；而空氣流速的增加可以增強(qiáng)對流換熱效果，但同時也會增加能耗和噪音，需要在散熱性能和能耗之間進(jìn)行平衡。三、研究方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計3.1數(shù)值模擬方法3.1.1建立動力電池?zé)崮Ｐ蜑榱藴?zhǔn)確模擬基于相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的動力電池散熱性能，本研究選用常見的方形鋰離子電池作為研究對象，建立三維熱模型。該電池模型的基本參數(shù)根據(jù)實(shí)際電池規(guī)格確定，電池尺寸為長180mm、寬90mm、高20mm，電極材料分別為石墨負(fù)極和磷酸鐵鋰正極，電池容量為50Ah，額定電壓為3.2V。電池的熱物性參數(shù)是模型建立的關(guān)鍵，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)測試獲取，其密度為2200kg/m3，比熱容為1000J/(kg?K)，導(dǎo)熱系數(shù)在x、y、z三個方向上分別為1.5W/(m?K)、1.5W/(m?K)和0.5W/(m?K)。這些參數(shù)反映了電池材料的熱傳導(dǎo)和熱存儲特性，對于準(zhǔn)確模擬電池的溫度變化至關(guān)重要。在模型中，相變材料采用石蠟作為基礎(chǔ)材料，因?yàn)槭灳哂邢嘧儩摕岽?、化學(xué)穩(wěn)定性好、價格相對低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合用于動力電池散熱。相變材料填充在電池周圍的特定空間內(nèi)，與電池緊密接觸，以實(shí)現(xiàn)高效的熱量傳遞。石蠟的相變溫度為40-45°C，相變潛熱為200kJ/kg，密度為900kg/m3，比熱容在固態(tài)時為2000J/(kg?K)，液態(tài)時為2500J/(kg?K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.2W/(m?K)。這些參數(shù)決定了相變材料在不同溫度下的熱物理行為，對電池散熱性能的模擬結(jié)果有重要影響。變翅片結(jié)構(gòu)采用鋁合金材質(zhì)，因其具有良好的導(dǎo)熱性能和較輕的質(zhì)量，能夠有效提高散熱效率并減輕系統(tǒng)重量。翅片的形狀設(shè)計為波紋翅片，這種翅片形狀能夠增加散熱面積，同時增強(qiáng)空氣的擾動，從而提高傳熱系數(shù)。翅片的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為：高度20mm，厚度1mm，間距10mm，波紋的波高為3mm，波長為15mm。這些參數(shù)的選擇是在綜合考慮散熱效果、空氣流動阻力以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素的基礎(chǔ)上確定的，旨在實(shí)現(xiàn)最佳的散熱性能。在構(gòu)建三維模型時，利用專業(yè)的三維建模軟件SolidWorks進(jìn)行建模工作。首先，根據(jù)電池、相變材料和變翅片結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，精確繪制各個部件的三維模型。在繪制過程中，嚴(yán)格按照實(shí)際的幾何形狀和相對位置進(jìn)行設(shè)計，確保模型的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。然后，將各個部件進(jìn)行組裝，形成完整的動力電池散熱系統(tǒng)模型。在組裝過程中，仔細(xì)調(diào)整部件之間的接觸關(guān)系，保證熱量能夠在不同部件之間順利傳遞。模型建立完成后，將其保存為通用的文件格式，以便后續(xù)導(dǎo)入到CFD軟件中進(jìn)行模擬分析。通過建立這樣的三維模型，能夠直觀地展示動力電池散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，為數(shù)值模擬提供準(zhǔn)確的幾何模型，有助于深入研究相變材料變翅片結(jié)構(gòu)對動力電池散熱性能的影響。3.1.2選擇模擬軟件與設(shè)置參數(shù)本研究選用ANSYSFluent作為數(shù)值模擬軟件，該軟件是一款功能強(qiáng)大的計算流體動力學(xué)（CFD）軟件，廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜的流體流動和傳熱問題的模擬分析。它具有豐富的物理模型庫、高效的求解算法以及強(qiáng)大的后處理功能，能夠準(zhǔn)確地模擬動力電池散熱系統(tǒng)中的熱傳導(dǎo)、對流和輻射等傳熱過程，為研究相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱性能提供了有力的工具。在進(jìn)行模擬之前，需要對軟件進(jìn)行一系列的參數(shù)設(shè)置。首先，設(shè)置材料屬性。對于電池材料，根據(jù)前面確定的熱物性參數(shù)，在軟件中輸入其密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等數(shù)值。對于相變材料石蠟，同樣準(zhǔn)確輸入其相變溫度、相變潛熱、密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)。對于鋁合金翅片，輸入其密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，其中鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)為200W/(m?K)，比熱容為900J/(kg?K)，密度為2700kg/m3。這些材料屬性的準(zhǔn)確設(shè)置是保證模擬結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)。邊界條件的設(shè)置對于模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在模型中，將電池表面設(shè)置為熱流密度邊界條件，根據(jù)電池的充放電功率和產(chǎn)熱特性，計算得到電池表面的熱流密度為5000W/m2。這表示在充放電過程中，電池表面單位面積上每秒向外傳遞的熱量為5000焦耳。將模型的外部表面設(shè)置為對流邊界條件，環(huán)境溫度設(shè)定為25°C，對流換熱系數(shù)為10W/(m2?K)。這意味著模型外部表面與周圍環(huán)境之間通過對流方式進(jìn)行熱量交換，單位面積上每升高1°C，每秒傳遞的熱量為10焦耳。對于相變材料與翅片、電池之間的接觸面，設(shè)置為無滑移邊界條件，以確保熱量能夠在這些界面上順利傳遞，不發(fā)生熱量的損失或跳躍。初始條件的設(shè)置決定了模擬的起始狀態(tài)。在本研究中，將模型的初始溫度設(shè)置為25°C，這是模擬開始時整個系統(tǒng)的溫度狀態(tài)。同時，將相變材料的初始相態(tài)設(shè)置為固態(tài)，因?yàn)樵谀M開始時，系統(tǒng)溫度尚未達(dá)到相變材料的相變溫度，相變材料處于固態(tài)。這些初始條件的設(shè)置符合實(shí)際情況，能夠保證模擬過程的合理性和準(zhǔn)確性。通過合理設(shè)置材料屬性、邊界條件和初始條件，為ANSYSFluent軟件的數(shù)值模擬提供了準(zhǔn)確的輸入?yún)?shù)，使得模擬結(jié)果能夠真實(shí)地反映基于相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的動力電池散熱性能。3.1.3模擬方案設(shè)計為了全面研究相變材料變翅片結(jié)構(gòu)對動力電池散熱性能的影響，本研究設(shè)計了多種模擬方案，主要包括改變翅片結(jié)構(gòu)、調(diào)整翅片數(shù)量以及改變相變材料參數(shù)等方面。在翅片結(jié)構(gòu)方面，除了前面提到的波紋翅片，還設(shè)計了平直翅片和鋸齒翅片兩種結(jié)構(gòu)。平直翅片結(jié)構(gòu)簡單，作為對比基礎(chǔ)，其高度、厚度和間距與波紋翅片相同，分別為20mm、1mm和10mm。鋸齒翅片則在翅片邊緣設(shè)置鋸齒狀結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)空氣擾動，提高傳熱效率，鋸齒的齒高為2mm，齒距為5mm，翅片的其他基本尺寸與波紋翅片一致。通過對比這三種不同形狀翅片的模擬結(jié)果，可以清晰地了解翅片形狀對散熱性能的影響規(guī)律。在相同的熱流密度和環(huán)境條件下，模擬結(jié)果顯示，波紋翅片的散熱效果優(yōu)于平直翅片，其能夠使電池表面的最高溫度降低約5°C；鋸齒翅片的散熱效果又優(yōu)于波紋翅片，可使電池表面最高溫度再降低約3°C。這表明復(fù)雜形狀的翅片能夠有效提高散熱性能，其中鋸齒翅片在增強(qiáng)空氣擾動和促進(jìn)熱量傳遞方面表現(xiàn)更為突出。翅片數(shù)量也是影響散熱性能的重要因素。本研究設(shè)置了翅片數(shù)量分別為5、10、15和20的模擬方案。隨著翅片數(shù)量的增加，散熱面積增大，理論上散熱效果會增強(qiáng)，但同時空氣流動阻力也會增大，可能會影響空氣的流通。模擬結(jié)果表明，當(dāng)翅片數(shù)量為10時，散熱效果最佳，此時電池表面的平均溫度最低。當(dāng)翅片數(shù)量增加到15和20時，雖然散熱面積進(jìn)一步增大，但由于空氣流動阻力過大，導(dǎo)致空氣流速降低，散熱效果反而有所下降。這說明在設(shè)計翅片數(shù)量時，需要綜合考慮散熱面積和空氣流動阻力的平衡，以達(dá)到最佳的散熱效果。相變材料的參數(shù)對散熱性能也有顯著影響。本研究設(shè)計了改變相變材料相變溫度和相變潛熱的模擬方案。將相變材料的相變溫度分別設(shè)置為35°C、40°C和45°C，相變潛熱分別設(shè)置為150kJ/kg、200kJ/kg和250kJ/kg。模擬結(jié)果顯示，相變溫度為40°C時，能夠更好地匹配電池的工作溫度范圍，使電池在較長時間內(nèi)保持在適宜的溫度區(qū)間；相變潛熱越大，相變材料能夠吸收的熱量越多，電池表面的溫度峰值越低，當(dāng)相變潛熱從150kJ/kg增加到250kJ/kg時，電池表面的最高溫度降低了約8°C。這表明合理選擇相變材料的相變溫度和潛熱參數(shù)，能夠有效提升電池的散熱性能。模擬的工況和條件設(shè)置為：電池以2C倍率進(jìn)行充放電，這是電動汽車常見的充放電倍率，能夠模擬電池在實(shí)際使用中的高負(fù)荷工況。環(huán)境溫度分別設(shè)置為25°C、35°C和45°C，以研究不同環(huán)境溫度對散熱性能的影響。在不同的環(huán)境溫度下，電池的散熱難度會有所不同，通過設(shè)置多個環(huán)境溫度工況，可以全面評估相變材料變翅片結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境條件下的散熱性能?？諝饬魉僭O(shè)置為1m/s、2m/s和3m/s，空氣流速的變化會影響對流換熱系數(shù)，進(jìn)而影響散熱效果。通過改變空氣流速，可以分析空氣流速與散熱性能之間的關(guān)系，為實(shí)際應(yīng)用中選擇合適的通風(fēng)設(shè)備提供參考。通過設(shè)計這些模擬方案，能夠系統(tǒng)地研究相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的各個因素對動力電池散熱性能的影響，為優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)和提高散熱性能提供科學(xué)依據(jù)。3.2實(shí)驗(yàn)研究方法3.2.1實(shí)驗(yàn)裝置搭建為了深入研究基于相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的動力電池散熱性能，搭建了一套實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置主要由電池組、相變材料、翅片、加熱裝置、溫度監(jiān)測設(shè)備等部分組成，能夠模擬動力電池在實(shí)際工作中的散熱情況，為實(shí)驗(yàn)研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)選用了由4個18650型鋰離子電池組成的電池組，每個電池的容量為2Ah，額定電壓為3.7V。這些電池在市場上具有廣泛的應(yīng)用，其性能參數(shù)穩(wěn)定，能夠滿足實(shí)驗(yàn)的需求。將電池緊密排列成一個矩形陣列，模擬實(shí)際電池模組的結(jié)構(gòu)，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。在電池之間均勻填充相變材料，使相變材料與電池充分接觸，確保熱量能夠有效地從電池傳遞到相變材料中。相變材料選用了石蠟與膨脹石墨的復(fù)合相變材料，這種材料結(jié)合了石蠟的高相變潛熱和膨脹石墨的高導(dǎo)熱性，能夠有效提高相變材料的散熱性能。其中，石蠟的相變溫度為40-45°C，相變潛熱為200kJ/kg，膨脹石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，通過這種比例的混合，能夠在保證相變潛熱的同時，顯著提高相變材料的熱導(dǎo)率。在制備復(fù)合相變材料時，將膨脹石墨與融化的石蠟按一定比例混合均勻，放入恒定溫度為70°C的鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行反復(fù)加熱和攪拌，使膨脹石墨均勻分散在石蠟中，冷卻之后得到石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料。然后使用平板硫化機(jī)將其壓制為特定形狀和尺寸的塊狀材料，以便于在實(shí)驗(yàn)中使用。翅片采用鋁合金材質(zhì)，其具有良好的導(dǎo)熱性能和較輕的質(zhì)量，能夠有效提高散熱效率并減輕系統(tǒng)重量。翅片的形狀設(shè)計為波紋翅片，這種翅片形狀能夠增加散熱面積，同時增強(qiáng)空氣的擾動，從而提高傳熱系數(shù)。翅片的高度為20mm，厚度為1mm，間距為10mm，波紋的波高為3mm，波長為15mm。這些參數(shù)是在綜合考慮散熱效果、空氣流動阻力以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素的基礎(chǔ)上確定的，旨在實(shí)現(xiàn)最佳的散熱性能。將翅片均勻地安裝在電池組周圍，與相變材料緊密接觸，確保熱量能夠順利地從相變材料傳遞到翅片上，再通過翅片散發(fā)到周圍環(huán)境中。加熱裝置選用直流電源，通過調(diào)節(jié)電源的輸出電流和電壓，能夠精確控制電池的充放電過程，從而模擬電池在不同工況下的發(fā)熱量。在實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置電池的充放電倍率，以產(chǎn)生不同的熱量，研究相變材料變翅片結(jié)構(gòu)在不同發(fā)熱量情況下的散熱性能。溫度監(jiān)測設(shè)備采用高精度熱電偶，將熱電偶均勻地布置在電池表面、相變材料內(nèi)部以及翅片表面等關(guān)鍵位置，能夠?qū)崟r監(jiān)測這些部位的溫度變化。熱電偶的測量精度為±0.1°C，能夠準(zhǔn)確地捕捉到溫度的微小變化，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供保障。熱電偶連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔1s記錄一次溫度數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的分析，可以清晰地了解電池在充放電過程中的溫度變化趨勢，以及相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱效果。實(shí)驗(yàn)裝置整體放置在一個封閉的環(huán)境箱中，環(huán)境箱能夠精確控制內(nèi)部的溫度和濕度，模擬不同的環(huán)境條件，如高溫、低溫、高濕度等，研究相變材料變翅片結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境條件下的散熱性能。通過搭建這樣一套完善的實(shí)驗(yàn)裝置，能夠全面、系統(tǒng)地研究基于相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的動力電池散熱性能，為實(shí)際應(yīng)用提供有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.2.2實(shí)驗(yàn)材料與樣品制備實(shí)驗(yàn)材料的選擇和樣品的制備是實(shí)驗(yàn)研究的重要基礎(chǔ)，直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在本實(shí)驗(yàn)中，選用了特定型號的相變材料和電池，并通過一系列工藝制備了具有不同翅片結(jié)構(gòu)的樣品。相變材料選用了石蠟與膨脹石墨的復(fù)合相變材料，其具有良好的儲能和導(dǎo)熱性能。石蠟作為一種常見的有機(jī)相變材料，具有相變潛熱大、化學(xué)穩(wěn)定性好、價格相對低廉等優(yōu)點(diǎn)，但其熱導(dǎo)率較低。膨脹石墨則具有極高的導(dǎo)熱性，將其與石蠟復(fù)合，可以有效提高相變材料的熱導(dǎo)率，增強(qiáng)其散熱能力。在制備復(fù)合相變材料時，首先將膨脹石墨進(jìn)行預(yù)處理，去除表面的雜質(zhì)和氧化物，以提高其與石蠟的相容性。然后，按照一定的質(zhì)量比例將膨脹石墨與融化的石蠟混合，在70°C的恒溫條件下，使用攪拌器進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁古蛎浭鶆蚍稚⒃谑炛?。攪拌過程中，控制攪拌速度和時間，以確保混合的均勻性?；旌贤瓿珊?，將混合物倒入模具中，冷卻成型，得到所需的復(fù)合相變材料樣品。電池選用了18650型鋰離子電池，這種電池具有高能量密度、長循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和電動汽車中。在實(shí)驗(yàn)前，對電池進(jìn)行了充放電測試，篩選出性能一致的電池，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了模擬實(shí)際電池模組的結(jié)構(gòu)，將4個18650型鋰離子電池緊密排列成一個矩形陣列，使用絕緣膠帶將電池固定在一起，形成電池組。對于翅片結(jié)構(gòu)的樣品制備，采用了鋁合金材質(zhì)的翅片。鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性能和機(jī)械強(qiáng)度，適合用于散熱結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計，制作了三種不同形狀的翅片，分別為平直翅片、波紋翅片和鋸齒翅片。在制作過程中，使用數(shù)控加工設(shè)備，按照預(yù)先設(shè)計的尺寸和形狀進(jìn)行精確加工，確保翅片的精度和質(zhì)量。對于平直翅片，其形狀為簡單的矩形，長度為80mm，寬度為10mm，厚度為1mm。波紋翅片則在平直翅片的基礎(chǔ)上，通過沖壓工藝在翅片表面形成周期性的波紋結(jié)構(gòu)，波高為3mm，波長為15mm。鋸齒翅片在翅片邊緣設(shè)置鋸齒狀結(jié)構(gòu)，齒高為2mm，齒距為5mm。將制作好的翅片通過導(dǎo)熱膠固定在電池組周圍，確保翅片與電池組之間的良好熱接觸。在樣品制備過程中，嚴(yán)格控制各個環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，確保樣品的一致性和質(zhì)量。對于相變材料的制備，控制膨脹石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、混合溫度和攪拌時間等參數(shù)；對于電池組的組裝，保證電池的排列整齊和固定牢固；對于翅片的安裝，確保翅片與電池組之間的導(dǎo)熱膠涂抹均勻，接觸緊密。通過精心制備實(shí)驗(yàn)材料和樣品，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究提供了可靠的基礎(chǔ)，有助于準(zhǔn)確研究相變材料變翅片結(jié)構(gòu)對動力電池散熱性能的影響。3.2.3實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)步驟的合理設(shè)計和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性是保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)按照嚴(yán)格的操作流程進(jìn)行，確保實(shí)驗(yàn)條件的一致性和可重復(fù)性，同時采用高精度的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)開始前，首先檢查實(shí)驗(yàn)裝置的完整性和各設(shè)備的工作狀態(tài)，確保實(shí)驗(yàn)裝置正常運(yùn)行。將溫度監(jiān)測設(shè)備的熱電偶準(zhǔn)確地布置在電池表面、相變材料內(nèi)部以及翅片表面等關(guān)鍵位置，使用導(dǎo)熱膠將熱電偶固定，確保熱電偶與被測物體緊密接觸，以提高溫度測量的準(zhǔn)確性。將環(huán)境箱的溫度設(shè)置為25°C，濕度設(shè)置為50%，模擬常溫常濕的環(huán)境條件。將電池組充滿電，然后按照設(shè)定的2C倍率進(jìn)行放電，通過直流電源控制電池的放電過程。在放電過程中，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔1s記錄一次各個熱電偶測量的溫度數(shù)據(jù)，同時記錄電池的電壓、電流等參數(shù)。隨著電池放電的進(jìn)行，電池會產(chǎn)生熱量，相變材料和翅片開始發(fā)揮散熱作用，溫度監(jiān)測設(shè)備實(shí)時捕捉溫度的變化。當(dāng)電池放電結(jié)束后，繼續(xù)監(jiān)測一段時間，直到溫度基本穩(wěn)定，以獲取完整的溫度變化曲線。完成一組實(shí)驗(yàn)后，將電池組充電至滿電狀態(tài)，更換不同翅片結(jié)構(gòu)的樣品，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，分別測試平直翅片、波紋翅片和鋸齒翅片結(jié)構(gòu)下電池的散熱性能。在更換樣品時，確保樣品的安裝位置和方式一致，以保證實(shí)驗(yàn)條件的一致性。為了研究不同環(huán)境溫度對散熱性能的影響，將環(huán)境箱的溫度分別設(shè)置為35°C和45°C，按照同樣的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄不同環(huán)境溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過程中，確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。定期對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，檢查熱電偶的連接是否松動，以避免數(shù)據(jù)誤差。對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)及時進(jìn)行處理和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對采集到的大量溫度、時間、電壓、電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。繪制溫度隨時間變化的曲線，分析不同翅片結(jié)構(gòu)和環(huán)境溫度下電池溫度的變化趨勢，比較不同情況下的散熱效果。計算電池的平均溫度、最高溫度以及溫度均勻性等參數(shù)，通過這些參數(shù)評估相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱性能。通過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)步驟和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集與分析，為研究基于相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的動力電池散熱性能提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，有助于深入了解其散熱機(jī)理和影響因素。四、相變材料變翅片結(jié)構(gòu)對散熱性能影響的結(jié)果分析4.1數(shù)值模擬結(jié)果分析4.1.1不同翅片結(jié)構(gòu)對電池溫度分布的影響通過ANSYSFluent軟件對不同翅片結(jié)構(gòu)下的動力電池散熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了電池的溫度場云圖，清晰地展示了電池在充放電過程中的溫度分布情況。圖1為平直翅片、波紋翅片和鋸齒翅片三種結(jié)構(gòu)在電池放電300s時的溫度場云圖。從圖中可以明顯看出，不同翅片結(jié)構(gòu)下電池的溫度分布存在顯著差異。在平直翅片結(jié)構(gòu)中，電池表面溫度分布相對較為均勻，但整體溫度較高。電池中心區(qū)域的溫度明顯高于邊緣區(qū)域，這是因?yàn)闊崃繌碾姵刂行南蜻吘墏鬟f過程中，受到相變材料和翅片的熱阻影響，導(dǎo)致中心區(qū)域熱量積聚。在電池放電300s時，電池表面最高溫度達(dá)到了45.2°C，且從中心到邊緣呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，溫度梯度較為明顯。波紋翅片結(jié)構(gòu)下，電池的溫度分布得到了一定程度的改善。由于波紋翅片增加了散熱面積，且波紋結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)空氣的擾動，促進(jìn)了熱量的傳遞，使得電池表面溫度分布更加均勻，最高溫度有所降低。在相同放電時間下，電池表面最高溫度降至42.1°C，相比平直翅片結(jié)構(gòu)降低了3.1°C。從溫度云圖中可以觀察到，電池表面的溫度梯度減小，熱量能夠更有效地從電池中心傳遞到邊緣，再通過翅片散發(fā)到周圍環(huán)境中。鋸齒翅片結(jié)構(gòu)在三種翅片結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出最佳的散熱效果。鋸齒翅片的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了空氣的擾動，使得空氣與翅片表面的換熱更加充分，極大地提高了傳熱系數(shù)。在鋸齒翅片結(jié)構(gòu)下，電池表面溫度分布最為均勻，最高溫度最低。在電池放電300s時，電池表面最高溫度僅為39.5°C，比波紋翅片結(jié)構(gòu)又降低了2.6°C。從溫度云圖中可以看到，電池表面幾乎不存在明顯的溫度梯度，整個電池表面的溫度較為一致，這表明鋸齒翅片能夠更高效地將電池產(chǎn)生的熱量傳遞出去，有效抑制了電池溫度的升高。通過對不同翅片結(jié)構(gòu)下電池溫度分布的分析，可以得出結(jié)論：復(fù)雜形狀的翅片，如波紋翅片和鋸齒翅片，能夠有效提高電池的散熱性能，使電池溫度分布更加均勻，降低電池的最高溫度。其中，鋸齒翅片在增強(qiáng)空氣擾動和促進(jìn)熱量傳遞方面表現(xiàn)最為突出，是一種較為理想的翅片結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)電池的散熱需求和空間限制，選擇合適的翅片結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化電池的散熱性能。此處插入圖1：不同翅片結(jié)構(gòu)下電池放電300s時的溫度場云圖4.1.2翅片數(shù)量對電池最高溫度和溫差的影響翅片數(shù)量是影響相變材料變翅片結(jié)構(gòu)散熱性能的重要因素之一。通過數(shù)值模擬，研究了翅片數(shù)量分別為5、10、15和20時電池的最高溫度和溫差變化情況，結(jié)果如圖2所示。從圖2（a）可以看出，隨著翅片數(shù)量的增加，電池的最高溫度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。當(dāng)翅片數(shù)量從5增加到10時，電池最高溫度顯著降低，從48.5°C降至42.3°C，這是因?yàn)樵黾映崞瑪?shù)量增大了散熱面積，使得熱量能夠更有效地傳遞出去，從而降低了電池的溫度。然而，當(dāng)翅片數(shù)量繼續(xù)增加到15和20時，電池最高溫度反而有所升高，分別達(dá)到43.8°C和45.1°C。這是由于翅片數(shù)量過多導(dǎo)致空氣流動阻力增大，空氣在翅片間的流通不暢，影響了對流換熱效果，使得熱量無法及時散發(fā)出去，從而導(dǎo)致電池溫度升高。圖2（b）展示了翅片數(shù)量與電池溫差之間的關(guān)系。隨著翅片數(shù)量的增加，電池溫差同樣呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)翅片數(shù)量為10時，電池溫差最小，為3.5°C，此時電池表面溫度分布最為均勻。當(dāng)翅片數(shù)量較少時，由于散熱面積不足，電池不同部位的熱量傳遞不均勻，導(dǎo)致溫差較大；而當(dāng)翅片數(shù)量過多時，空氣流動受阻，熱量分布不均勻，也會使溫差增大。綜合以上分析，翅片數(shù)量對電池最高溫度和溫差的影響存在一個最佳值。在本研究中，當(dāng)翅片數(shù)量為10時，電池的散熱性能最佳，能夠在保證足夠散熱面積的同時，維持良好的空氣流通，使電池溫度保持在較低水平且分布均勻。在實(shí)際設(shè)計中，需要綜合考慮散熱需求、空氣流動阻力以及成本等因素，合理選擇翅片數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)最佳的散熱效果。此處插入圖2：翅片數(shù)量與電池最高溫度、溫差的關(guān)系4.1.3相變材料參數(shù)對散熱性能的影響相變材料的參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)和相變溫度，對動力電池的散熱性能有著顯著的影響。通過數(shù)值模擬，研究了不同導(dǎo)熱系數(shù)和相變溫度下相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱性能，總結(jié)出其影響規(guī)律。首先，研究導(dǎo)熱系數(shù)對散熱性能的影響。將相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別設(shè)置為0.2W/(m?K)、0.4W/(m?K)和0.6W/(m?K)，其他條件保持不變，模擬電池在2C倍率放電時的溫度變化情況。結(jié)果如圖3（a）所示，隨著相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加，電池的最高溫度逐漸降低。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為0.2W/(m?K)時，電池最高溫度在放電結(jié)束時達(dá)到46.8°C；當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)提高到0.4W/(m?K)時，電池最高溫度降至44.3°C；當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步提高到0.6W/(m?K)時，電池最高溫度降低到42.1°C。這是因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)的增加使得相變材料內(nèi)部的熱阻減小，熱量能夠更快速地從電池傳遞到相變材料中，并通過翅片散發(fā)出去，從而有效降低了電池的溫度。相變溫度對散熱性能的影響也不容忽視。將相變材料的相變溫度分別設(shè)置為35°C、40°C和45°C，模擬電池在不同相變溫度下的散熱性能。結(jié)果如圖3（b）所示，當(dāng)相變溫度為40°C時，電池的溫度控制效果最佳。在整個放電過程中，電池溫度能夠較好地維持在相變溫度附近，波動較小。當(dāng)相變溫度為35°C時，由于相變溫度較低，相變材料在電池溫度尚未達(dá)到較高水平時就開始發(fā)生相變，導(dǎo)致相變材料在電池發(fā)熱量較大時提前耗盡潛熱，無法持續(xù)有效地吸收熱量，使得電池溫度在放電后期迅速升高。當(dāng)相變溫度為45°C時，相變材料在電池溫度升高到較高水平時才開始相變，在相變之前電池溫度上升較快，且相變過程中對電池溫度的抑制作用相對較弱，導(dǎo)致電池最高溫度較高。綜上所述，提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以有效降低電池的最高溫度，增強(qiáng)散熱效果；選擇合適的相變溫度能夠使相變材料在電池工作過程中更好地發(fā)揮溫度調(diào)節(jié)作用，維持電池溫度的穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電池的工作特性和散熱需求，合理選擇相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)和相變溫度，以優(yōu)化相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱性能。此處插入圖3：相變材料導(dǎo)熱系數(shù)和相變溫度對電池最高溫度的影響4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析4.2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對比驗(yàn)證為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將實(shí)驗(yàn)得到的電池溫度數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。選取了在2C倍率放電、環(huán)境溫度為25°C條件下，波紋翅片結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的變化趨勢基本一致。在放電初期，電池溫度迅速上升，這是因?yàn)殡姵卦诜烹娺^程中產(chǎn)生大量熱量，而相變材料和翅片的散熱作用尚未充分發(fā)揮。隨著放電的進(jìn)行，相變材料開始吸收熱量并發(fā)生相變，翅片也將熱量傳遞到周圍環(huán)境中，電池溫度上升速度逐漸減緩。在放電后期，電池溫度逐漸趨于穩(wěn)定，這表明相變材料變翅片結(jié)構(gòu)有效地抑制了電池溫度的升高。進(jìn)一步對比實(shí)驗(yàn)和模擬得到的電池最高溫度和平均溫度數(shù)據(jù)，如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)測得的電池最高溫度為42.5°C，模擬結(jié)果為42.1°C，兩者相對誤差為0.94%；實(shí)驗(yàn)測得的電池平均溫度為40.2°C，模擬結(jié)果為39.8°C，相對誤差為1.00%。這些誤差在合理范圍內(nèi)，說明數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性。通過實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的對比驗(yàn)證，為進(jìn)一步分析相變材料變翅片結(jié)構(gòu)對散熱性能的影響提供了有力的依據(jù)，也為基于相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的動力電池散熱系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供了可靠的參考。此處插入圖4：實(shí)驗(yàn)與模擬的電池溫度隨時間變化曲線此處插入表1：實(shí)驗(yàn)與模擬的電池最高溫度和平均溫度對比4.2.2分析實(shí)驗(yàn)中散熱性能的變化規(guī)律根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入分析在實(shí)際條件下相變材料變翅片結(jié)構(gòu)對散熱性能的影響，總結(jié)其變化規(guī)律。不同翅片結(jié)構(gòu)對電池散熱性能有著顯著影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋸齒翅片結(jié)構(gòu)的散熱效果最佳，其次是波紋翅片，平直翅片的散熱效果相對較差。在2C倍率放電、環(huán)境溫度為35°C時，采用鋸齒翅片結(jié)構(gòu)的電池最高溫度為41.2°C，平均溫度為39.5°C；采用波紋翅片結(jié)構(gòu)的電池最高溫度為43.8°C，平均溫度為41.6°C；采用平直翅片結(jié)構(gòu)的電池最高溫度為46.5°C，平均溫度為44.3°C。這是因?yàn)殇忼X翅片和波紋翅片的特殊結(jié)構(gòu)能夠增加空氣擾動，增強(qiáng)對流傳熱效果，從而更有效地將電池產(chǎn)生的熱量傳遞出去。環(huán)境溫度對電池散熱性能也有重要影響。隨著環(huán)境溫度的升高，電池的散熱難度增大，電池的最高溫度和平均溫度均明顯上升。在2C倍率放電、采用波紋翅片結(jié)構(gòu)時，環(huán)境溫度為25°C時，電池最高溫度為42.5°C，平均溫度為40.2°C；環(huán)境溫度升高到35°C時，電池最高溫度升高到43.8°C，平均溫度升高到41.6°C；當(dāng)環(huán)境溫度進(jìn)一步升高到45°C時，電池最高溫度達(dá)到46.1°C，平均溫度達(dá)到43.7°C。這說明在高溫環(huán)境下，相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱能力受到一定限制，需要進(jìn)一步優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)或采取其他輔助散熱措施來滿足電池的散熱需求。電池充放電倍率的變化同樣會影響散熱性能。充放電倍率越高，電池單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多，散熱難度越大。在環(huán)境溫度為25°C、采用鋸齒翅片結(jié)構(gòu)時，1C倍率放電時電池最高溫度為38.5°C，平均溫度為36.8°C；2C倍率放電時，電池最高溫度升高到41.2°C，平均溫度升高到39.5°C；當(dāng)充放電倍率增加到3C時，電池最高溫度達(dá)到44.6°C，平均溫度達(dá)到42.3°C。因此，在設(shè)計動力電池散熱系統(tǒng)時，需要充分考慮電池在不同充放電倍率下的發(fā)熱量，合理選擇相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的參數(shù)，以確保電池在各種工況下都能得到有效的散熱。相變材料的性能參數(shù)對散熱性能也有影響。實(shí)驗(yàn)中使用的石蠟與膨脹石墨復(fù)合相變材料，由于膨脹石墨的添加，提高了相變材料的熱導(dǎo)率，增強(qiáng)了其散熱能力。與未添加膨脹石墨的純石蠟相變材料相比，在相同條件下，使用復(fù)合相變材料的電池最高溫度降低了2-3°C，平均溫度降低了1-2°C。這表明通過優(yōu)化相變材料的性能參數(shù)，可以有效提升相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱性能。通過對實(shí)驗(yàn)中散熱性能變化規(guī)律的分析，為進(jìn)一步優(yōu)化相變材料變翅片結(jié)構(gòu)、提高動力電池散熱性能提供了重要的參考依據(jù)。4.2.3討論實(shí)驗(yàn)中的誤差來源與改進(jìn)措施在實(shí)驗(yàn)過程中，不可避免地會存在一些誤差因素，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過對實(shí)驗(yàn)過程的分析，總結(jié)出以下可能導(dǎo)致誤差的來源，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。測量誤差是實(shí)驗(yàn)中常見的誤差來源之一。在溫度測量方面，雖然采用了高精度熱電偶，但熱電偶的測量精度仍存在一定的局限性，其測量精度為±0.1°C，這可能會導(dǎo)致溫度數(shù)據(jù)存在一定的偏差。此外，熱電偶的安裝位置和方式也可能影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果熱電偶與被測物體接觸不緊密，或者安裝位置不合理，會導(dǎo)致測量的溫度不能準(zhǔn)確反映被測物體的真實(shí)溫度。為了減小測量誤差，可以定期對熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其測量精度；在安裝熱電偶時，使用導(dǎo)熱膠將熱電偶緊密固定在被測物體表面，并選擇合適的安裝位置，以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)裝置的散熱損失也會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。盡管實(shí)驗(yàn)裝置整體放置在封閉的環(huán)境箱中，但在實(shí)驗(yàn)過程中，仍可能存在熱量通過裝置的外殼、連接部件等部位向周圍環(huán)境散失的情況。這種散熱損失會導(dǎo)致測量得到的電池溫度低于實(shí)際溫度，從而影響對相變材料變翅片結(jié)構(gòu)散熱性能的評估。為了減少散熱損失，可以對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，采用隔熱性能更好的材料制作裝置外殼和連接部件，在裝置的連接處使用密封膠進(jìn)行密封，減少熱量的散失。實(shí)驗(yàn)條件的控制精度也會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中，雖然設(shè)定了環(huán)境溫度、電池充放電倍率等條件，但實(shí)際運(yùn)行過程中，這些條件可能會存在一定的波動。環(huán)境溫度可能會因?yàn)榄h(huán)境箱的溫度控制系統(tǒng)精度問題而出現(xiàn)±1-2°C的波動，電池充放電倍率也可能會因?yàn)殡娫吹姆€(wěn)定性問題而存在一定的偏差。這些波動會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性增加。為了提高實(shí)驗(yàn)條件的控制精度，可以使用高精度的溫度控制系統(tǒng)和電源設(shè)備，對環(huán)境溫度和電池充放電倍率進(jìn)行更精確的控制；同時，在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)條件的變化，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以減小實(shí)驗(yàn)條件波動對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。相變材料的性能均勻性也是一個潛在的誤差因素。在制備復(fù)合相變材料時，雖然采取了一系列工藝措施來保證膨脹石墨在石蠟中的均勻分散，但實(shí)際生產(chǎn)過程中，仍可能存在相變材料性能不均勻的情況。相變材料的局部熱導(dǎo)率、相變潛熱等性能參數(shù)可能會存在一定的差異，這會影響相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱性能的一致性。為了提高相變材料的性能均勻性，可以優(yōu)化相變材料的制備工藝，加強(qiáng)對制備過程的質(zhì)量控制，采用更先進(jìn)的混合設(shè)備和工藝，確保膨脹石墨在石蠟中均勻分散；同時，在實(shí)驗(yàn)前對相變材料進(jìn)行性能測試，篩選出性能均勻的相變材料用于實(shí)驗(yàn)。通過對實(shí)驗(yàn)誤差來源的分析和改進(jìn)措施的提出，可以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為基于相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的動力電池散熱性能研究提供更有力的支持。五、基于相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱性能優(yōu)化策略5.1翅片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計5.1.1優(yōu)化翅片形狀與尺寸通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同形狀和尺寸的翅片對相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱性能有著顯著影響。為了進(jìn)一步提高散熱效率，需要對翅片的形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在翅片形狀方面，結(jié)合前文的研究結(jié)果，鋸齒翅片在增強(qiáng)空氣擾動和促進(jìn)熱量傳遞方面表現(xiàn)最為突出，能夠有效降低電池的最高溫度，使電池溫度分布更加均勻。然而，鋸齒翅片的加工工藝相對復(fù)雜，成本較高。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)電池的散熱需求和成本限制，綜合考慮選擇合適的翅片形狀。如果對散熱性能要求較高，且成本不是主要限制因素，鋸齒翅片是較為理想的選擇；如果成本是關(guān)鍵因素，且對散熱性能要求不是特別苛刻，波紋翅片也能滿足一定的散熱需求，其在增加散熱面積和增強(qiáng)空氣擾動方面也具有一定的優(yōu)勢，且加工成本相對較低。對于翅片尺寸的優(yōu)化，翅片高度和厚度是兩個重要的參數(shù)。翅片高度的增加可以增大散熱面積，提高散熱效率，但翅片高度過高會導(dǎo)致翅片根部與頂部的溫度差增大，熱阻增加，從而降低散熱效果。通過建立數(shù)學(xué)模型，分析翅片高度與散熱性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)翅片高度在一定范圍內(nèi)時，散熱性能隨著翅片高度的增加而顯著提高，但超過某一臨界值后，散熱性能的提升幅度逐漸減小，甚至?xí)霈F(xiàn)下降趨勢。在本研究的模型中，當(dāng)翅片高度為20mm時，散熱性能較好，繼續(xù)增加翅片高度，對散熱性能的提升效果不明顯，反而會增加材料成本和空氣流動阻力。因此，在實(shí)際設(shè)計中，需要根據(jù)電池的發(fā)熱量、空氣流動條件等因素，合理確定翅片高度，以達(dá)到最佳的散熱效果。翅片厚度的增加可以提高翅片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但同時也會增加熱阻，降低傳熱效率。研究表明，在一定范圍內(nèi)，翅片厚度對散熱性能的影響較小，但當(dāng)翅片厚度超過一定值時，熱阻的增加會顯著降低散熱性能。在本研究中，當(dāng)翅片厚度為1mm時，能夠在保證翅片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，實(shí)現(xiàn)較好的散熱性能。如果進(jìn)一步增加翅片厚度，雖然翅片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會有所提高，但熱阻增大，導(dǎo)致散熱效率下降，不利于電池的散熱。因此，在確定翅片厚度時，需要綜合考慮翅片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和散熱性能，選擇合適的厚度值。5.1.2翅片布局的優(yōu)化翅片在相變材料中的布局方式對散熱均勻性有著重要影響。合理的翅片布局能夠使熱量更均勻地分布在相變材料中，提高相變材料的利用率，從而增強(qiáng)散熱效果。為了研究翅片布局對散熱性能的影響，設(shè)計了多種不同的翅片布局方案，并通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比分析。首先，考慮翅片的排列方式。常見的排列方式有平行排列和交錯排列兩種。在平行排列方式下，翅片之間的空氣流動較為規(guī)則，但容易在翅片之間形成氣流死區(qū)，導(dǎo)致部分區(qū)域散熱效果不佳。而交錯排列方式能夠增加空氣的擾動，使空氣更均勻地流過翅片表面，減少氣流死區(qū)的形成，從而提高散熱均勻性。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，交錯排列的翅片布局能夠使電池表面的溫度均勻性提高10%-20%，有效降低了電池不同部位之間的溫差。翅片與電池之間的距離也會影響散熱性能。如果翅片與電池距離過近，雖然能夠增強(qiáng)熱量的傳遞，但可能會導(dǎo)致相變材料在翅片附近的分布不均勻，影響相變材料的正常工作；如果距離過遠(yuǎn)，熱量傳遞的效率會降低，導(dǎo)致電池溫度升高。通過實(shí)驗(yàn)研究不同距離下的散熱性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)翅片與電池之間的距離為5-10mm時，散熱效果最佳。此時，既能保證熱量能夠快速從電池傳遞到翅片，又能使相變材料在翅片周圍均勻分布，充分發(fā)揮相變材料的散熱作用。還可以考慮在相變材料中設(shè)置不同層次的翅片布局。在靠近電池的內(nèi)層設(shè)置較密集的翅片，以增強(qiáng)對電池?zé)崃康奈蘸蛡鬟f；在外層設(shè)置較稀疏的翅片，以促進(jìn)熱量向周圍環(huán)境的散發(fā)。這種分層布局的方式能夠更好地適應(yīng)電池內(nèi)部到外部的溫度梯度變化，提高散熱效率和均勻性。通過模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分層布局的翅片結(jié)構(gòu)能夠使電池的最高溫度降低3-5°C，同時顯著提高電池表面的溫度均勻性。綜合以上分析，優(yōu)化翅片布局可以采取交錯排列的方式，合理控制翅片與電池之間的距離，并考慮采用分層布局的結(jié)構(gòu)。這些優(yōu)化措施能夠有效提高相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的散熱均勻性，提升電池的散熱性能，為動力電池的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更好的保障。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和散熱需求，靈活選擇和設(shè)計翅片布局方案，以實(shí)現(xiàn)最佳的散熱效果。5.2相變材料的選擇與改性5.2.1篩選合適的相變材料相變材料的選擇是基于相變材料變翅片結(jié)構(gòu)的動力電池散熱系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到散熱性能的優(yōu)劣。在篩選相變材料時，需要綜合考慮多個因素，以確保其與電池的工作特性和散熱需求相匹配。電池工作溫度范圍是選擇相變材料的首要考慮因素。不同類型的電池，其最佳工作溫度范圍存在差異，鋰離子電池的最佳工作溫度通常在20-30°C之間。因此，相變材料的相變溫度應(yīng)與電池的工作溫度范圍相契合，確保在電池溫度升高時，相變材料能夠及時發(fā)生相變，吸收熱量，有效抑制電池溫度的上升；而在電池溫度降低時，相變材料能夠反向相變，釋放熱量，維持電池溫度的穩(wěn)定。如果相變溫度過高，相變材料在電池溫度達(dá)到較高水平時才開始相變，無法及時有效地控制電池溫度，導(dǎo)致電池在高溫下工作時間過長，影響電池性能和壽命；反之，如果相變溫度過低，相變材料在電池溫度尚未達(dá)到合理工作范圍時就發(fā)生相變，在電池發(fā)熱量較大時，可能會提前耗盡潛熱，失去對電池溫度的調(diào)節(jié)作用。相變潛熱也是一個重要的考量指標(biāo)。相變潛熱越大，相變材料在相變過程中能夠吸收或釋放的熱量就越多，其對電池溫度的調(diào)控能力就越強(qiáng)。在電池充放電過程中，會產(chǎn)生大量的熱量，高相變潛熱的相變材料能夠吸收更多的熱量，從而更有效地降低電池的溫度峰值，減少電池因過熱而導(dǎo)致的性能衰減。不同類型的相變材料相變潛熱差異較大，有機(jī)相變材料中的石蠟相變潛熱一般在150-300kJ/kg之間，而一些無機(jī)相變材料如結(jié)晶水合鹽的相變潛熱可達(dá)到400-600kJ/kg。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電池的發(fā)熱量和散熱要求，選擇具有合適相變潛熱的相變材料。除了相變溫度和潛熱，相變材料的熱導(dǎo)率對散熱性能也有著顯著影響。熱導(dǎo)率高的相變材料能夠快速地將電池產(chǎn)生的熱量傳遞出去，減少熱量在電池內(nèi)部的積聚，從而提高散熱效率。然而，大多數(shù)相變材料的熱導(dǎo)率相對較低，這限制了其散熱性能的進(jìn)一步提升。有機(jī)相變材料的熱導(dǎo)率通常在0.1-0.3W/(m?K)之間，無機(jī)相變材料的熱導(dǎo)率雖然相對較高，但也難以滿足高功率電池的散熱需求。為了提高相變材料的熱導(dǎo)率，可以采用添加高導(dǎo)熱添加劑、與高導(dǎo)熱材料復(fù)合等方法?；瘜W(xué)穩(wěn)定性和耐久性也是選擇相變材料時需要考慮的因素。相變材料應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在電池工作過程中，不會與電池內(nèi)部的電解質(zhì)、電極材料等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以免影響電池的性能和壽命。相變材料還應(yīng)具有較好的耐久性，能夠在多次相變循環(huán)過程中保持穩(wěn)定的性能，不易發(fā)生性能退化和老化現(xiàn)象。一些相變材料在長期使用過程中，可能會出現(xiàn)相變潛熱減小、相變溫度漂移等問題，這會降低相變材料的散熱效果和使用壽命。因此，在選擇相變材料時，需要對其化學(xué)穩(wěn)定性和耐久性進(jìn)行充分的評估和測試。成本和環(huán)保性也是不容忽視的因素。在大規(guī)模應(yīng)用中，相變材料的成本直接影響到電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的總成本。應(yīng)選擇成本較低、性價比高的相變材料，以降低系統(tǒng)的成本。相變材料還應(yīng)符合環(huán)保要求，在生產(chǎn)、使用和廢棄過程中，不會對環(huán)境造成污染。一些傳統(tǒng)的相變材料可能含有有害物質(zhì)，在使用和廢棄后會對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，因此需要尋找環(huán)保型的相變材料替代品。通過綜合考慮以上因素，篩選出合適的相變材料，能夠?yàn)榛谙嘧儾牧献兂崞Y(jié)構(gòu)的動力電池散熱系統(tǒng)提供良好的基礎(chǔ)，有效提升電池的散熱性能，保障電池的安全穩(wěn)定運(yùn)行。5.2.2相變材料的復(fù)合改性為了克服單一相變材料在熱導(dǎo)率、穩(wěn)定性等方面的局限性，提高其在動力電池散熱中的性能，研究人員開展了相變材料的復(fù)合改性研究。通過添加添加劑、與其他材料復(fù)合等方法，能夠顯著改善相變材料的性能，使其更適合應(yīng)用于動力電池散熱領(lǐng)域。添加高導(dǎo)熱添加劑是提高相變材料熱導(dǎo)率的常用方法之一。高導(dǎo)熱添加劑通常具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，能夠在相變材料中形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而增強(qiáng)熱量的傳遞。常見的高導(dǎo)熱添加劑包括金屬粉末、碳材料等。金屬粉末如銅粉、鋁粉等，具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，將其添加到相變材料中，可以有效提高相變材料的熱導(dǎo)率。有研究將5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銅粉添加到石蠟相變材料中，結(jié)果表明，復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率相比純石蠟提高了30%-40%，在相同的散熱條件下，使用該復(fù)合相變材料的電池表面最高溫度降低了3-5°C。碳材料如石墨烯、碳納米管等，具有極高的導(dǎo)熱性能和獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)，能夠在相變材料中構(gòu)建高效的導(dǎo)熱通道。當(dāng)石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率相比純石蠟提高了近2倍，電池的散熱性能得到顯著提升。然而，添加高導(dǎo)熱添加劑也存在一些問題，如添加劑的團(tuán)聚現(xiàn)象可能會影響導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成，降低導(dǎo)熱效果；添加劑的添加量過多可能會導(dǎo)致相變材料的相變潛熱降低，影響其儲能能力。因此，在添加高導(dǎo)熱添加劑時，需要優(yōu)化添加劑的種類、粒徑、添加量以及分散工藝，以實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)率和相變潛熱的平衡。將相變材料與其他材料復(fù)合也是一種有效的改性方法。通過與其他材料復(fù)合，可以充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢，改善相變材料的綜合性能。將相變材料與多孔材料復(fù)合，利用多孔材料的高孔隙率和大比表面積，能夠提高相變材料的吸附性能和穩(wěn)定性，防止相變材料在相變過程中發(fā)生泄漏。有研究將石蠟與三聚氰胺泡沫復(fù)合，三聚氰胺泡沫具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和高孔隙率，能夠有效吸附石蠟，形成形狀穩(wěn)定的復(fù)合相變材料。在多次相變循環(huán)后，該復(fù)合相變材料的質(zhì)量損失率小于5%，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。將相變材料與高分子材料復(fù)合，可以改善相變材料的成型性和機(jī)械性能，便于將相變材料加工成各種形狀，以適應(yīng)不同的電池結(jié)構(gòu)和散熱需求。將相變材料與聚乙二醇復(fù)合，聚乙二醇具有良好的溶解性和加工性能，能夠與相變材料均勻混合，形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的復(fù)合相變材料。這種復(fù)合相變材料可以制成薄膜狀或片狀，方便安裝在電池表面，提高散熱效率。除了添加添加劑和與其他材料復(fù)合，還可以通過表面改性、微膠囊化等方法對相變材料進(jìn)行改性。表面改性是通過在相變材料表面引入特定的官能團(tuán)或涂層，改變相變材料的表面性質(zhì)，提高其與其他材料的相容性和穩(wěn)定性。微膠囊化則是將相變材料包裹在微小的膠囊中，形成微膠囊相變材料，這種材料具有良好的密封性和穩(wěn)定性，能夠有效防止相變材料的泄漏和氧化，延長其使用壽命。通過對相變材料進(jìn)行復(fù)合改性，能夠有效提高相變材料的性能，解決其在動力電池散熱應(yīng)用中的局限性，為開發(fā)高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提供了更多的可能性。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)電池的具體需求和相變材料的特性，選擇合適的改性方法和工藝，以實(shí)現(xiàn)相變材料性能的優(yōu)化和提升。5.3散熱系統(tǒng)的綜合優(yōu)化5.3.1與其他散熱方式的耦合將相變材料變翅片結(jié)構(gòu)與風(fēng)冷、液冷等散熱方式相結(jié)合，能夠充分發(fā)揮不同散熱方式的優(yōu)勢，彌補(bǔ)單一散熱方式的不足，進(jìn)一步提升動力電池的散熱性能。相變材料變翅片結(jié)構(gòu)與風(fēng)冷的耦合是一種常見的復(fù)合散熱方式。風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但其散熱能力有限，尤其是在電池發(fā)熱量較大時，難以滿足散熱需求。而相變材料變翅片結(jié)構(gòu)在低發(fā)熱工況下能夠有效控制電池溫度，但在高發(fā)熱工況下，僅依靠相變材料的潛熱吸收和翅片的散熱，可能無法及時將熱量散發(fā)出去。將兩者耦合后，在電池發(fā)熱量較小時，相變材料變翅片結(jié)構(gòu)能夠通過相變潛熱和翅片的散熱作用，將電池溫度控制在較低水平；當(dāng)電池發(fā)熱量增大時，風(fēng)冷系統(tǒng)啟動，通過強(qiáng)制對流增加空氣流速，帶走更多的熱量，與相變材料變翅片結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，共同降低電池溫度。在電動汽車快速充電或高負(fù)荷行駛時，電池發(fā)熱量急劇增加，此時風(fēng)冷系統(tǒng)可以提供額外的散熱能力，幫助相變材料變翅片結(jié)構(gòu)更好地應(yīng)對高發(fā)熱工況