锂电池液冷结构设计与仿真分析

锂离子电池近年来被广泛应用于电动汽车之中,其对温度具有很高的灵敏度,温度过高会使得电池组电化学性能严重下降.采用双进双出的微通道液冷板换热器对电池进行热管理,为了优化液冷板的冷却性能分析了入口Re数、冷却液温度、流道宽度和流道进出口位置对电池组热性能的影响.结果 表明,在单体电池以3C电流倍率放电时该结构能够有效地将电...     

环境温度与对流换热系数对电池散热性能的影响研究

为提高动力电池散热能力,优化工作性能,本文采用数值模拟方法,分析环境温度、对流换热系数对填充相变材料动力电池散热效果的影响,并对比分析导热系数为0. 21 W/(m·℃)的纯石蜡和导热系数为16. 6 W/(m·℃)的复合相变材料散热性能。结果表明,环境温度升高,电池温升速率加快,相变材料相变时间点提前,相变时间缩短,电池冷却效果变差;对流换热系数增加5 W/m~2,相变材料相变时间延长2 000 s,电池温升推迟,但当电池持续工作、相变材料完全融化时,电池温度不再受控制,这说明单一的相变冷却已不能满足电池散热要求,须外加空气冷却、液体冷却辅助散热。     

锂电池叉流流道液冷结构设计及散热特性分析

为使锂离子电池组的散热达到更高的安全性,设计了锂离子电池组的一种液冷冷却模型,该模型采用两种流体进行冷却.对模型中不同雷诺数、不同微通道个数、不同微通道半径等条件下的电池温度分布进行了模拟研究.模拟结果表明:雷诺数对锂离子电池组的散热影响存在临界值;对各条件进行优化分析,优化后的液冷冷却模型在理论上能有效降低锂离子电池组的最高温度,与单体电池在2C放电倍率的工况下相比,锂电池最高温度下降了26.24 K,并改善了锂离子电池组的温度分布均匀性.     

甲醇基二元工质热管电池热管理实验研究

高效的热管理系统是确保动力电池高性能、长寿命和安全的关键。以热管为传热器件,选用纯水比例为5%的水-甲醇二元混合工质作为传热介质,充液率为30%。设计并搭建了实验测试平台,在环境温度20℃,3C放电倍率下,对比分析了无热管理系统、风冷散热和热管冷却三种散热方式下模拟电池表面温度分布。测试结果表明,1 476 s后,相比于无热管理系统,基于风冷的模拟电池表面温度降低了12.9%,基于热管冷却的模拟电池表面温度降低了28.0%;三种散热方式中基于热管冷却的电池热管理系统效果最佳,可将模拟电池最高温度和温差控制在35℃和5℃以内。     

基于电化学-热耦合模型研究隔膜孔隙结构对锂离子电池性能的影响机制

隔膜孔隙结构对锂离子电池性能具有重要的影响,本文提出了可准确描述充放电过程中锂离子电池内部复杂物理化学现象的电化学-热耦合模型,发现该模型较文献中模型的计算结果更接近实验测试数据.利用该模型探讨了隔膜孔隙率与扭曲率分别对锂离子电池性能的影响规律,发现减小孔隙率或增大扭曲率,电池输出电压、最大放电容量和平均输出功率均不断降低,电池表面温度和温升速度均不断升高;当孔隙率减小或扭曲率增大到一定程度时,放电初期电池输出电压均会出现先下降后回升的现象,且孔隙率越小或扭曲率越大,其下降的幅度越大、速度越快,回升所需时间也越长;要确保其不低于截止电压,隔膜扭曲率必须小于临界扭曲率(其下降至最低点刚好等于截止电压时的隔膜扭曲率).综合分析了放电过程中电池内部各电化学参量和产热量的动态分布规律,发现隔膜孔隙率和扭曲率主要影响放电末期电极膜片内部电化学反应以及其他放电时刻电解液中有效Li~+扩散(传导)系数.     

基于柔性通道的圆柱型锂电池热管理实验研究

本文建立了一种基于柔性金属微通道内流动沸腾换热的圆柱型锂离子电池热管理系统。柔性铝微通道结构能够与圆柱型电池很好的接触,并且槽道内工质流动与相变换热可以有效地带走电池放电过程中产生的热量。实验研究了柔性铝槽道板与圆柱型电池表面接触面积和槽道内工质质量流量对电池热性能和电化学性能的影响,并与无冷却结构的电池放电实验结果进行了比较。柔性铝槽道板工质入口质量流量为5.98 kg/h时,电池表面温度和表面温度差最小,电池的输出电压和容量最佳。此外,在考虑热性能、宏观电化学特性、入口质量流量和冷却性能的基础上对实验进行了优化设计。     

脉冲放电过程中锂离子电池的热行为分析

本文采用加速量热仪与电池充放电循环仪联用技术,实时测量了钛酸锂电池在脉冲放电过程的电压、电流、温度、温升速率变化.电压曲线在脉冲过程及之后的静置时间内呈现先急剧下降再增加的变化。电池温度因脉冲的存在高于正常放电过程的温度,温升速率曲线在脉冲瞬间也急剧增大,但随着电池内部温度的增加,脉冲对温度、温升速率的影响减弱。此外,由于传热的滞后性,电池温度在脉冲瞬间并没有表现出明显的上升过程。     

锂离子电池放电循环的发热特性研究

锂离子电池发热特性的研究对于发展电池热管理系统具有重要意义.本文采用数值方法对锂电池放电过程中的微观发热特性进行了研究,并对锂电池放电循环过程中固体电解质(SEI)膜和欧姆热的变化规律进行了分析,研究结果表明:锂电池以高倍率(5C)放电时,SEI膜产生的热量是锂电池发热的重要部分;随着放电循环的进行,锂电池负极颗粒表面SEI膜以线性规律增厚,导致电池SEI膜电阻不断增大;锂电池放电环境温度越高,锂电池负极SEI膜增厚越快,容量衰退越快。     

液冷辅助热管动力电池热管理性能研究

电池的冷却系统是电动汽车电池发展的重要研究课题。基于夹层结构的热管冷却系统来测量锂电池在25℃环境温度和3C放电倍率下的表面温度。文章分析了自然对流、热管和液冷辅助热管冷却方式,通过对比锂电池表面T_max来比较冷却系统的性能,与自然冷却相比,热管和液冷辅助热管冷却系统的最高电池温度分别降低了8.21%和30.09%,实验结果表明液冷辅助热管的冷却系统在较高热负荷下是有效的。20、30和40 L/h的水流循环能够将T_max平均减少31.74%,实验结果表明该冷却系统的冷却性能会分别随着冷却液流量的加快和冷却液温度的降低而提高。     

包含液相扩散方程简化的锂离子电池电化学模型

锂离子电池的电化学模型对于电池特性分析和电池管理具有重要意义,但是准二维(P2D)模型复杂度太高,为了在保证模型精度的基础上尽量降低复杂度,本文提出了一种包含液相简化的P2D (LSP2D)模型,该模型首先基于电化学平均动力学将电池端电压化简成为仅耦合固相Li+浓度c_s和液相Li+浓度c_e的方程,然后进一步对表达c_s和c_e演化规律的偏微分方程进行抛物线近似化简,使得最终的模型由多项式组成.COMSOL仿真表明在放电倍率为1C时该模型与单粒子(SP)模型的估算精度和速度相当,但在放电倍率为3C时,该模型的估算时间比P2D模型减少了99.73%,与SP模型相当,估算精度相比SP模型有大幅度提升.     

Estimation of temperature distribution of LiFePO<Subscript>4</Subscript> lithium ion battery during charge–discharge process

Thermal issues of lithium ion batteries are key factors affecting the safety, operational performance, life, and cost of the battery. An electrochemical–thermal coupling model based on thermoelectrochemical basic data was established to investigate the thermal behavior of LiFePO₄ lithium ion battery. In this paper, the finite element method was used for simulation of temperature field distribution inside battery during charge–discharge process, and the influence of the charge–discharge rate and ambient temperature on the distribution of temperature field was summarized. The results showed that the highest temperature of battery was recorded at the junction of negative and separator during charge–discharge process. At a low discharge current, the modeling results agreed well with the experimental data. When the ambient temperature was 303.15 K, the maximum temperatures inside the battery were 304.60, 304.83, 306.55, and 309.96 K for 0.1, 0.2, 0.5, and 1.0 C charge–discharge rates, respectively. If the ambient temperature increased to 323.15 K, the maximum temperatures were increased by 24.96, 27.91, 33.18, and 32.59 K for 0.1, 0.2, 0.5, and 1.0 C charge–discharge rates, respectively, and the homogenous temperature field distribution inside the battery was worse.     

聚乙烯单链量子热输运的同位素效应

高分子导热材料的有效调控受到了日益广泛的关注.应用密度泛函理论(DFT)、中央插入延展(central insertion scheme,CIS)方法及非平衡格林函数(NEGF)理论,对包含432个原子、长18.533 nm的聚乙烯单链量子热输运的同位素效应进行了研究.计算结果表明,室温下长100 nm的纯12C聚乙烯单链的热导率理论上限高达314.1 W·m~(-1)·K~(-1);对于~(12)C聚乙烯单链,其他条件一定时,~(14)C掺杂引起的热导同位素效应比~(13)C更为显著;室温下纯~(12)C聚乙烯单链中~(14)C掺杂原子百分数为50%时同位素效应最显著,此时平均热导比未掺杂时下降了51%.这对探索聚乙烯材料热输运的同位素影响机理具有十分积极的意义.     

微波低温制备Mg2Si0.4Sn0.6-yBiy热电材料的传输机理

德拜弛豫理论表明, 在频率为2.45 GHz的外加交变电磁场的作用下, 微波对极性分子的极化过程约为10^-10 s, 因此利用微波固相反应可以在短时低温条件下制备出纳米粉体材料. 本文以MgH₂代替Mg粉, 利用微波固相反应在低温下制备了Mg₂Si_0.4Sn_0.6-yBi_y (0 ≤y ≤q 0.03)固溶体, 并结合单带抛物线计算模型对其热电传输机理进行了分析. 研究结果表明: 利用该工艺可以有效抑制Mg的挥发和MgO 的生成, 在400 ℃保温15 min内即可完成MgH₂与Si粉和Sn粉的固相反应, 获得片层间距为100 nm的超细化学计量比产物; 杂质Bi的引入可以有效增加载流子浓度, 并引起晶格畸变, 在晶格畸变和样品特有的纳米片层结构的协同作用下, 声子得到有效散射, 样品具有最低的热导率1.36 W·m^-1·K^-1. 较低的有效掺杂率和复杂的能带结构具有降低能带态密度有效质量和减小载流子弛豫时间的双刃效应, 使得本征激发提前, 在600 K样品取得最大ZT值为0.66.     

氮化铝陶瓷低温热导率的实验研究

根据轴向稳态热流法原理 ,实验研究了 Al N陶瓷的低温热导率 ,为高温超导制冷机直接冷却提供了必要的实验数据。 Al N的热导率在 30～ 170 K之间 ,随温度的升高而增大 ,在 10 0 K时达到 5 8.36 W/ (m· K)。根据平均自由程理论 ,对影响氮化铝陶瓷热导率的微观因素进行了分析 ,影响本次测试氮化铝样品低温热导率的主要因素为声子与缺陷之间的散射。     

基于稳态电热拉曼技术的碳纳米管纤维导热系数测量及传热研究

利用稳态电热拉曼技术测量了碳纳米管纤维对流换热环境下的导热系数. 该方法基于材料拉曼信号与温度之间的关系, 实时探测一维材料在不同电加热(内热源)下的中心点温度, 利用对流环境下的稳态导热模型推导出材料的导热系数, 实现了一维微纳材料热物性的无损化和非接触式测量. 实验发现: 碳纳米管纤维的导热系数远低于单根碳纳米管的导热系数, 但高于碳纳米管堆积床的导热系数. 这表明碳纳米管体材料的热物性主要取决于内部管束的列阵和管束间的接触热阻.     

Boron diffusion in bcc-Fe studied by first-principles calculations

The diffusion mechanism of boron in bcc-Fe has been studied by first-principles calculations. The diffusion coefficients of the interstitial mechanism, the B–monovacancy complex mechanism, and the B–divacancy complex mechanism have been calculated. The calculated diffusion coefficient of the interstitial mechanism is D_0= 1.05 ×10~(-7)exp(-0.75 e V/k T) m~2· s~(-1), while the diffusion coefficients of the B–monovacancy and the B–divacancy complex mechanisms are D_1= 1.22 × 10~(-6)f1exp(-2.27 e V/k T) m~2· s~(-1)and D_2≈ 8.36 × 10~(-6)exp(-4.81 e V/k T) m~2· s~(-1), respectively. The results indicate that the dominant diffusion mechanism in bcc-Fe is the interstitial mechanism through an octahedral interstitial site instead of the complex mechanism. The calculated diffusion coefficient is in accordance with the reported experiment results measured in Fe–3%Si–B alloy(bcc structure). Since the non-equilibrium segregation of boron is based on the diffusion of the complexes as suggested by the theory, our calculation reasonably explains why the non-equilibrium segregation of boron is not observed in bcc-Fe in experiments.     

Thermoelectric enhancement in triple-doped strontium titanate with multi-scale microstructure

Strontium titanate(SrTiO_3) is a thermoelectric material with large Seebeck coefficient that has potential applications in high-temperature power generators.To simultaneously achieve a low thermal conductivity and high electrical conductivity,polycrystalline SrTiO_3 with a multi-scale architecture was designed by the co-doping with lanthanum,cerium,and niobium.High-quality nano-powders were synthesized via a hydrothermal method.Nano-inclusions and a nano/microsized second phase precipitated during sintering to form mosaic crystal-like and epitaxial-like structures,which decreased the thermal conductivity.Substituting trivalent Ce and/or La with divalent Sr and substituting pentavalent Nb with tetravalent Ti enhanced the electrical conductivity without decreasing the Seebeck coefficient.By optimizing the dopant type and ratio,a low thermal conductivity of 2.77 W·m~(-1)·K~(-1) and high PF of 1.1 mW·m~(-1)·K~(-2) at 1000 K were obtained in the sample co-doped with 5-mol% La,5-mol% Ce,and 5-mol% Nb,which induced a large ZT of 0.38 at 1000 K.     

Eu_(0.9)M_(0.1)TiO_3(M=Ca,Sr,Ba,La,Ce,Sm)的磁性和磁热效应

EuTi0_3是直接带隙半导体材料,在液氦温度附近呈现反铁磁性,且具有较大的磁熵变,但是当其转变为铁磁性时,可以有效提高低磁场下的磁熵变.本文通过元素替代,研究晶格常数的变化和电子掺杂对磁性和磁热效应的影响.实验采用溶胶凝胶法制备EuTiO_3和Eu_(0.9)M_(0.1)TiO_3 (M=Ca, Sr, Ba, La, Ce, Sm)系列样品.结果表明:大离子半径的碱土金属离子替代提高了铁磁性耦合,有利于提高低磁场下的磁热效应.电子掺杂可以抑制其反铁磁性耦合从而使其表现为铁磁性.当大离子半径的稀土La和Ce离子替代Eu离子时,既增大了晶格常数也实现了电子掺杂,表现出较强的铁磁性.在1 T的磁场变化下,Eu_(0.9)La_(0.1)TiO_3和Eu_(0.9)Ce_(0.1)TiO_3的最大磁熵变分别为10.8和11 J/(kg·K),均大于EuTi0_3的9.8 J/(kg·K);制冷能力分别为39.3和51.8 J/kg,相对于EuTi0_3也有所提高.     

石墨烯增强半导体态二氧化钒近场热辐射

本文基于涨落耗散定理和并矢格林函数求解麦克斯韦方程来研究两个半无限大平板的近场热辐射净热流,提出了两个半无限大块状二氧化钒组成的V/V结构、石墨烯覆盖两个半无限大块状二氧化钒组成的GV/GV结构和石墨烯覆盖VO2薄膜组成的GV0/GV0结构,深入研究了这三种结构中二氧化钒与石墨烯间的近场热辐射,并分析了真空间距、二氧化钒薄膜厚度和石墨烯化学势等物理参量变化对近场热辐射的影响.研究表明:三种结构的近场热辐射均随间距增大而减小;在真空间距为10 nm时,由石墨烯覆盖的GV/GV结构的近场辐射热流比无石墨烯覆盖的V/V结构增强35倍,耦合效果最好的是GV0/GV0结构,该结构的近场辐射热流比GV/GV结构增强8.6倍;在GV0/GV0结构中,当二氧化钒薄膜厚度为30 nm时,石墨烯化学势从0.1 eV增加到0.6 eV辐射热流会减小3.3倍.本文系统研究了二氧化钒与石墨烯间相互耦合的近场热辐射,对相关结构的近场热辐射实验和实际应用具有理论指导意义.     

基于微拉曼光谱技术的氧化介孔硅热导率研究

利用基于有效介质理论的介孔硅传热机理,提出一个用于分析氧化介孔硅热导率的理论模型,对影响氧化介孔硅有效热导率的因素进行了理论分析,得出用于计算氧化介孔硅有效热导率的计算公式. 采用双槽电化学腐蚀法制备介孔硅,利用微拉曼光谱技术研究了氧化介孔硅热导率随所制备介孔硅孔隙率的变化规律,比较了经不同温度处理的氧化介孔硅的导热性能差异. 孔隙率为60%,73.4%和78.8%的所制备介孔硅经300℃氧化处理后,其热导率值为8.625W/(m·K),3.846W/(m·K)和1.817W/(m·K);孔隙率为73.4 关键词： 理论模型 氧化介孔硅 微拉曼光谱 有效热导率