点击左上角“锂电联盟会长”，即可关注！
研究背景
随着新能源产业的快速扩张，锂离子电池因其使用寿命长、能量密度高等特点，在各个领域得到了广泛的应用。目前，电力子系统已成为航天器的重要组成部分，负责为包括通信和控制在内的所有航天器子系统提供持续的电力供应。为了保证航天器的稳定飞行，必须将机载敏感电子设备的温度保持在可接受的范围内。早在2003年，就发表了一篇关于锂电池在火星探测车上的应用的论文，特别强调了电池在太空中的运行性能。在航空航天应用中，必须将电池的工作温度保持在 10 至 30 °C 的范围内。然而，受制于太空中普遍存在的极端环境条件和锂离子电池的固有特性，它们有可能瞬间产生大量热量。因此，太空中锂离子电池的热管理已成为一项紧迫而关键的任务。合理BTMS的设计对于保证航天器的稳定运行至关重要。目前，存在各种BTMS，包括空气冷却、液冷和PCM冷却等。然而，在航空航天领域，对于空气和液体冷却系统的可操作性有一定的限制，使得PCM冷却系统成为最有前途的选择。众所周知，特别是微型和小型卫星，由于其航空航天平台，对组件的质量和体积有严格的限制。相变材料冷却系统具有结构简单、成本效益高、相变潜热高等优点，同时无需额外的电源。相变材料可以在其等温熔化过程中储存能量，与储存显热的材料相比，特别是在有限的空间内，其能量储存密度明显更高。上述优点使它们非常适合航空航天应用。
因此，研究人员为研究相变材料冷却系统并提高其传热效率做出了许多努力。领先的策略之一是在 PCM 中添加翅片，这是一种被广泛接受的方法，因为它简单、经济高效和出色的传热效率。相变材料中的内部熔化是由热传导和自然对流的相互作用驱动的。一些研究旨在提高相变材料的导热性能，加深对自然对流传热机制的理解。然而，所有这些研究都有一个共同的特点：它们是在正常重力下进行的。通常理解，当航天器加速时，其内部物体所经历的加速度可能会超过 GA，从而导致超重力条件。相反，太空中的引力影响非常小，导致微重力环境。值得注意的是，这种重力波动可能会影响 PCM 的热控制能力。因此，在航空航天领域，研究相变材料在变重条件下的冷却性能具有重要意义。
研究内容
本研究研究了不同重力条件（微重力/超重力）下的电池-PCM冷却系统，在冷却系统中加入鳍片，并数值模拟了不同重力条件和θ下的热行为。综合性能评估涵盖PCM熔化分布、翅片与PCM之间的CHTC、PCM的最大体积、电池温度等多个方面。基于对相变材料熔化行为的观察，将优化技术应用于BTMS，针对不同的θ，提出了3种翅片构型。最后，采用熵加权TOPSIS方法对计算结果进行排序，确定最优解。
对嵌入翅片的BTMS在不同重力条件下的PCM熔化特性进行了数值模拟，物理模型如图1所示。在这项研究中，考虑到计算效率，我们从整个电池组中选择了一个单元进行深入研究。该装置中使用的 18,650 电池尺寸为 18 mm x 65 mm，外壳尺寸为 24 mm x 24 mm，翅片尺寸为 1 mm x 5 mm x 65 mm，该装置的其余部分为 PCM。此外，外壳和翅片的材料分别是铝和铜，以及 PCM 的热物理特性见表 1、表 2 和表 3。
我们选择θ = 90◦的情况来研究不同GA对几个因素的影响，包括PCM熔化时间、PCM熔融流场的演化、PCM的速度以及CHTC在PCM熔化过程中的影响。如图2所示，在电池放电的最初100 s内，不同GA对fl的影响相对较小。这主要是因为在短时间内，翅片周围只有少量的相变材料熔化，导致重力对传热的影响最小。随着时间的流逝，随着GA的增加，fl也相应增加。此外，随着GA的增加，PCM的熔化时间减少。随着时间的流逝，随着GA的增加，液相率也相应增加。此外，PCM的熔化时间随着GA的增加而减少。研究结果表明，与GA = 0.05 g时的熔解时间为633.55 s相比，GA = 20 g时PCM的熔解时间为538.50 s，减少了95.05 s（15.00 %）。这种现象归因于GA的增强，这加剧了PCM内部发生的自然对流。详细来说，相变材料中的自然对流是由浮力驱动的。当相变材料变成液相变材料时，它逐渐上升并建立内部循环流动，这得益于其密度的降低。加速度水平的升高增强了这种现象，导致传热速率增加和熔化过程更快。
不同GA对电池的影响最直观地体现在对Tbat (平均温度)的影响上。不同重力值对电池的影响最直观地体现在对Tbat的影响上。如图3所示，可以发现Tbat随着GA的减小而增大。随着GA的减小，在电池产热和向翅片传导热量的能力相同的条件下，PCM与翅片之间的对流换热量减小，导致电池温度过高。当fl = 0.8时，温差( ΔT )达到最大值，温度Δ Tmax = 2.2 K。因此可以得出，随着GA的减小，PCM的自然对流能力减弱，翅片与PCM之间的热交换减少，从而导致翅片与PCM之间的传热性能变差。
图4描述了10g环境下不同θ条件下BTMS壳体内PCM熔化过程中fl随时间的变化。在θ = 45 °时，完全熔化需要611.15 s。相比之下，在θ = 90 °时，完全熔化时间为552.10 s，减少了59.05 s ( 9.66 % )。此外，在θ = 0 °时，熔化时间为545.40 s，与θ = 45 °相比减少了65.75 s ( 10.75 % )。这些发现强调了θ变化对BTMS内PCM熔化过程的显著影响，导致熔化时间的显著变化。
从图 11 可以明显看出，在 t = 240 s 时，与 θ = 45◦ 相比，在 θ = 90◦ 处，BTMS 在外壳内的 PCM 熔化部分更多。此外，对于BTMS，PCM的上部在t = 360 s和θ = 0◦时主要处于液态。值得注意的是，当BTMS在θ = 45◦时，fl在PCM熔化开始时增长迅速，但在后期熔化过程中，生长速率显着下降。这种现象源于相变材料在熔化过程中受浮力的影响而向上聚集。如图 11 所示，外壳内部的熔化是明显分层的，未熔化的固体 PCM 主要位于左下角，这也为图 10 中 θ = 90◦ 的曲线相比，在 t = 505 s 时表示 θ = 45◦ 的延迟提供了合理的解释。此外，当 θ = 0◦ 时，熔化速率增加，原因如下：（1） 在高温下，PCMl 经历从加热表面向上流动，而自然对流在存在超重力的情况下始终增强传热。（2）流体流动方向与熔融传热方向处于同向，加速了相变材料的熔化进程。
图6显示了当BTMS在不同θ时CTHC和fl之间的关系。如前所述，在熔融初期，TFin和TPCM随着时间的推移越来越接近，导致CTHC缓慢增加。随着熔融的进行，CTHC 在 θ = 0◦、45◦ 和 90◦ 处的 fl 约为 0.2，然后逐渐恢复并最终呈现下降趋势。这种行为反映了传热过程中自然对流的变化，这是由于 PCMl 的增加引起的。因此，鳍片与 PCM 的 SLI 和 CTHC 之间的交界处的 Rt 升高，导致局部降低。然而，随着自然对流在传热中占主导地位，CTHC逐渐上升。最后，随着SLI因完全熔化而逐渐消失，CTHC呈现出下降趋势。值得注意的是，当θ = 0◦时，当fl= 0.7（约360 s）时，PCM的CTHC急剧下降，低于θ = 45◦时的CTHC。如图5所示，在浮力的作用下，PCMl不断向上聚集，PCM的上半部分主要处于液相。此时，鳍片和相变材料的上半部分之间几乎没有自然对流，主要发生在相变材料在底部积聚时。当液相分数达到0.83左右时，由于大量的固体相变材料聚集在底部，CTHC逐渐稳定下来，仍然与翅片进行对流传热。然而，随着相变材料的完全熔化，CTHC最终会降低。
总结与展望
本研究的目的是评估宇航用BTMS中PCM的散热性能。它特别关注发生在BTMS内部PCM之间的自然对流现象。此外，还考察了电池在不同条件下的热性能。旨在为航天器电池热管理方案的改进提供思路和参考。通过数值模拟对相变材料熔化过程、翅片与相变材料之间的对流换热系数、相变材料l的Vmax、相变材料的热膨胀系数Tbat等关键参数进行了分析。研究结果可概括如下：
( 1 )在θ = 90 °时，当GA从0.05 g增加到20 g时，PCM熔化加快，液态PCM的Vmax增加，电池温度Tbat降低。这些变化归因于相变材料内部的自然对流，并且随着加速度的增加而变得更加明显。同时，电池的产热及其向翅片传递热量的能力保持不变，从而提高了传热速率。
( 2 )当GA = 10 g时，PCM的熔化时间随θ的增大先增大后减小。值得注意的是，在θ = 45 °时，出现了明显的熔化分层现象。随着固态PCM的积累，出现明显的熔化分层现象，导致熔化速率和CHTC在后期下降更明显，最终降低了传热效率。这也是熔融后期Tbat随后上升的原因。
