CAT蓄电池I形与形翅片在提升相变材料电池安全应用性能中的对比分析
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卡特蓄电池 发布时间：2026-04-07 09:27:52 点击： 次
引言
传统能源的枯竭与环境污染的加剧加速了新能源电动汽车的普及。作为核心动力源，锂离子电池现已广泛应用于电动汽车领域[1][2]。然而，电动汽车中的热失控事件引发了人们对锂离子电池安全性的高度关注。在电化学反应过程中，锂离子电池会产生大量热量。若热量未能有效耗散，将导致电池组内部热量积聚，极端条件下可能触发热失控[3][4]。
为解决热累积问题，电池热管理系统（BTMS）至关重要。目前主要采用三种热管理方法：液冷、风冷以及基于相变材料（PCM）的冷却技术[5]。液冷与风冷作为主动式散热方法具有高冷却效率，但需要昂贵装备且消耗额外能源。相变材料通过固液相变过程中的吸热特性，广泛应用于光伏系统蓄冷、太阳能池储热及电池热管理等领域[6]。然而常用石蜡基相变材料存在导热系数低的缺陷，制约了其实际应用[7]。为提升石蜡基相变材料导热性能，研究者主要通过添加膨胀石墨（EG）、无机颗粒、金属颗粒及金属泡沫等高导热添加剂来实现[8]。Li等[9]研究了石蜡/膨胀石墨（EG）复合相变材料（PCMs）在电池热管理系统（BTMS）中随EG质量分数变化的热性能表现。研究发现，含20wt% EG的复合材料展现出最佳冷却性能，其相变材料利用率高达97.3%。Lin等[10]开发了一种碳纳米管@MXene气凝胶，并将石蜡灌注至其三维多孔结构中；该复合材料有效提升了电池温度均匀性并延长了电池组使用寿命。Zheng等文献[11]制备了一种铜泡沫/石蜡复合相变材料，并通过实验与数值模拟研究了其熔化过程，报道其总熔化时间较纯石蜡缩短20.5%。Heyhat等[12]在相同体积分数条件下对比了三种铜基形态（纳米颗粒、金属翅片和金属泡沫）的热强化效果，得出铜泡沫具有最佳热性能的结论。此外，采用金属翅片强化相变材料热性能也是常见方法。Singh等[13]在相变材料中集成了四片锯齿形铝制翅片（厚度0.85毫米），显著增加了传热表面积，促进了热量从电池通过相变材料层的传导。Kumar等人[14]采用相变材料与等间距环形铝翅片组合的方案来管理18,650锂离子电池模块的热行为，分析了翅片数量的影响。研究发现，使用8片翅片可使电池达到60°C的时间延长10%。Bahrami [15]重点评估了在电池单体之间及单体与冷却通道之间添加翅片的强化效果。研究发现，引入单体间翅片可进一步强化热传导与对流的耦合作用，同时显著提升电池组整体温度均匀性。Belwadi等人[16]采用拓扑优化方法设计翅片增强型相变材料结构，相较于未优化结构，该设计使电池最高温度降低4.9°C，并实现相变材料更均匀的熔融过程。Soliman等[17]提出集成翅片散热器的双相变材料(RT-35与RT-31)系统，在1C和10C放电倍率下分别使电池温度降低12.31%与54.50%。提升相变材料导热系数对改善电池热管理具有关键作用，可有效延长电池寿命并提高安全性。
锂离子电池安全性的另一个关键方面是耐撞性。在车辆运行过程中，意外碰撞或道路障碍物冲击可能导致内部短路，引发温度急剧上升甚至自燃。因此，电池的冲击防护至关重要。为减轻冲击损伤，多种壳体材料——包括低碳钢、铝合金、铝基复合材料和聚合物基复合材料已被广泛研究[18]。Kulkarni等人[19]开发了用于电池外壳的碳纤维增强聚合物（CFRP）层压板，在显著减轻重量的同时实现了与铝相当的抗冲击性能。Cebe等人[20]制备了一种具有蜂窝结构电池模块外壳的新型混合多功能复合材料，发现其在冲击载荷下保持结构完整性的同时实现了26%的减重。Zhao等人文献[21]通过提出整合皮尔逊相关系数分析、响应面方法和NSGA-II的优化框架，解决了轻量化设计与碰撞安全性的Multi-Objective挑战；优化后的电池包在满足碰撞安全标准的同时实现了1.73%的质量降低。Kawsar等人[22]采用铝制Multi-Cell方形管状碰撞壁结构来提升侧向柱碰工况下的安全性能。结果表明，该结构能使关键冲击区域的电池箱侵入量减少45%以上。此外，研究已证实采用CFRP作为外壳材料与铝合金框架的组合能显著提升碰撞安全性。CFRP材料具备高刚度和能量吸收特性，而铝合金则在碰撞过程中表现出优异的延展性[23]。除碰撞安全性能外，这些轻量化材料还有助于提高能源效率并降低全生命周期排放，从而支持可持续发展。因此，提升电池包的结构耐撞性与轻量化水平对整车效能优化具有关键意义。
然而，目前报道的大多数构型仍局限于单独解决热管理或碰撞安全问题，未能从热管理与碰撞安全协同视角对翅片与相变材料复合结构进行一体化设计。本研究的主要贡献在于提出了一种融合热管理与抗碰撞功能的集成化电池安全系统。通过将传统I形导热翅片改造为Z形构型使系统在提升电池热管理性能的同时，也增强了碰撞安全性能，并避免了I形翅片在冲击时产生的缺口效应。本研究从温控和吸能两个维度对比了I形与Z形铝制翅片的性能表现。研究方法包括：（1）对电池高倍率放电期间温升及静态压缩下力学响应的实验测试；（2）通过数值模拟优化I型翅片数量以实现相变材料导热率和冷却性能的最大化；（3）在翅片厚度相同和翅片体积相同条件下，对I型与Z型翅片进行热力学综合性能的对比分析。本研究的预期成果将为开发高性能翅片强化相变材料电池热管理及冲击防护系统提供重要理论依据。-shaped configuration, the system simultaneously enhances both the thermal management and collision safety performance of the battery, while avoiding the notching effect of I-shaped fins during impact. The study compares I and Z aluminum fins in terms of temperature control and impact absorption. The methodology includes: (1) experimental tests on battery temperature rise during high-rate discharge and force response under static compression; (2) numerical simulations to optimize the number of I fins for maximizing PCM thermal conductivity and cooling performance; and (3) a comparative analysis of I versus Z fins under equal fin thickness and equal fin volume conditions, evaluating both thermal and mechanical performance comprehensively. The findings of this study are expected to provide valuable insights for the development of high-performance, fin-enhanced PCM-based battery thermal and impact protection systems.
