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研究背景
隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速擴(kuò)張，鋰離子電池因其使用壽命長(zhǎng)、能量密度高等特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，電力子系統(tǒng)已成為航天器的重要組成部分，負(fù)責(zé)為包括通信和控制在內(nèi)的所有航天器子系統(tǒng)提供持續(xù)的電力供應(yīng)。為了保證航天器的穩(wěn)定飛行，必須將機(jī)載敏感電子設(shè)備的溫度保持在可接受的范圍內(nèi)。早在2003年，就發(fā)表了一篇關(guān)于鋰電池在火星探測(cè)車上的應(yīng)用的論文，特別強(qiáng)調(diào)了電池在太空中的運(yùn)行性能。在航空航天應(yīng)用中，必須將電池的工作溫度保持在 10 至 30 °C 的范圍內(nèi)。然而，受制于太空中普遍存在的極端環(huán)境條件和鋰離子電池的固有特性，它們有可能瞬間產(chǎn)生大量熱量。因此，太空中鋰離子電池的熱管理已成為一項(xiàng)緊迫而關(guān)鍵的任務(wù)。合理BTMS的設(shè)計(jì)對(duì)于保證航天器的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。目前，存在各種BTMS，包括空氣冷卻、液冷和PCM冷卻等。然而，在航空航天領(lǐng)域，對(duì)于空氣和液體冷卻系統(tǒng)的可操作性有一定的限制，使得PCM冷卻系統(tǒng)成為最有前途的選擇。眾所周知，特別是微型和小型衛(wèi)星，由于其航空航天平臺(tái)，對(duì)組件的質(zhì)量和體積有嚴(yán)格的限制。相變材料冷卻系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本效益高、相變潛熱高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)無(wú)需額外的電源。相變材料可以在其等溫熔化過(guò)程中儲(chǔ)存能量，與儲(chǔ)存顯熱的材料相比，特別是在有限的空間內(nèi)，其能量?jī)?chǔ)存密度明顯更高。上述優(yōu)點(diǎn)使它們非常適合航空航天應(yīng)用。
因此，研究人員為研究相變材料冷卻系統(tǒng)并提高其傳熱效率做出了許多努力。領(lǐng)先的策略之一是在 PCM 中添加翅片，這是一種被廣泛接受的方法，因?yàn)樗?jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效和出色的傳熱效率。相變材料中的內(nèi)部熔化是由熱傳導(dǎo)和自然對(duì)流的相互作用驅(qū)動(dòng)的。一些研究旨在提高相變材料的導(dǎo)熱性能，加深對(duì)自然對(duì)流傳熱機(jī)制的理解。然而，所有這些研究都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：它們是在正常重力下進(jìn)行的。通常理解，當(dāng)航天器加速時(shí)，其內(nèi)部物體所經(jīng)歷的加速度可能會(huì)超過(guò) GA，從而導(dǎo)致超重力條件。相反，太空中的引力影響非常小，導(dǎo)致微重力環(huán)境。值得注意的是，這種重力波動(dòng)可能會(huì)影響 PCM 的熱控制能力。因此，在航空航天領(lǐng)域，研究相變材料在變重條件下的冷卻性能具有重要意義。
研究?jī)?nèi)容
本研究研究了不同重力條件（微重力/超重力）下的電池-PCM冷卻系統(tǒng)，在冷卻系統(tǒng)中加入鰭片，并數(shù)值模擬了不同重力條件和θ下的熱行為。綜合性能評(píng)估涵蓋PCM熔化分布、翅片與PCM之間的CHTC、PCM的最大體積、電池溫度等多個(gè)方面。基于對(duì)相變材料熔化行為的觀察，將優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于BTMS，針對(duì)不同的θ，提出了3種翅片構(gòu)型。最后，采用熵加權(quán)TOPSIS方法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行排序，確定最優(yōu)解。
對(duì)嵌入翅片的BTMS在不同重力條件下的PCM熔化特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，物理模型如圖1所示。在這項(xiàng)研究中，考慮到計(jì)算效率，我們從整個(gè)電池組中選擇了一個(gè)單元進(jìn)行深入研究。該裝置中使用的 18,650 電池尺寸為 18 mm x 65 mm，外殼尺寸為 24 mm x 24 mm，翅片尺寸為 1 mm x 5 mm x 65 mm，該裝置的其余部分為 PCM。此外，外殼和翅片的材料分別是鋁和銅，以及 PCM 的熱物理特性見(jiàn)表 1、表 2 和表 3。
我們選擇θ = 90?的情況來(lái)研究不同GA對(duì)幾個(gè)因素的影響，包括PCM熔化時(shí)間、PCM熔融流場(chǎng)的演化、PCM的速度以及CHTC在PCM熔化過(guò)程中的影響。如圖2所示，在電池放電的最初100 s內(nèi)，不同GA對(duì)fl的影響相對(duì)較小。這主要是因?yàn)樵诙虝r(shí)間內(nèi)，翅片周圍只有少量的相變材料熔化，導(dǎo)致重力對(duì)傳熱的影響最小。隨著時(shí)間的流逝，隨著GA的增加，fl也相應(yīng)增加。此外，隨著GA的增加，PCM的熔化時(shí)間減少。隨著時(shí)間的流逝，隨著GA的增加，液相率也相應(yīng)增加。此外，PCM的熔化時(shí)間隨著GA的增加而減少。研究結(jié)果表明，與GA = 0.05 g時(shí)的熔解時(shí)間為633.55 s相比，GA = 20 g時(shí)PCM的熔解時(shí)間為538.50 s，減少了95.05 s（15.00 %）。這種現(xiàn)象歸因于GA的增強(qiáng)，這加劇了PCM內(nèi)部發(fā)生的自然對(duì)流。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，相變材料中的自然對(duì)流是由浮力驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)相變材料變成液相變材料時(shí)，它逐漸上升并建立內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)，這得益于其密度的降低。加速度水平的升高增強(qiáng)了這種現(xiàn)象，導(dǎo)致傳熱速率增加和熔化過(guò)程更快。
不同GA對(duì)電池的影響最直觀地體現(xiàn)在對(duì)Tbat (平均溫度)的影響上。不同重力值對(duì)電池的影響最直觀地體現(xiàn)在對(duì)Tbat的影響上。如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)Tbat隨著GA的減小而增大。隨著GA的減小，在電池產(chǎn)熱和向翅片傳導(dǎo)熱量的能力相同的條件下，PCM與翅片之間的對(duì)流換熱量減小，導(dǎo)致電池溫度過(guò)高。當(dāng)fl = 0.8時(shí)，溫差( ΔT )達(dá)到最大值，溫度Δ Tmax = 2.2 K。因此可以得出，隨著GA的減小，PCM的自然對(duì)流能力減弱，翅片與PCM之間的熱交換減少，從而導(dǎo)致翅片與PCM之間的傳熱性能變差。
圖4描述了10g環(huán)境下不同θ條件下BTMS殼體內(nèi)PCM熔化過(guò)程中fl隨時(shí)間的變化。在θ = 45 °時(shí)，完全熔化需要611.15 s。相比之下，在θ = 90 °時(shí)，完全熔化時(shí)間為552.10 s，減少了59.05 s ( 9.66 % )。此外，在θ = 0 °時(shí)，熔化時(shí)間為545.40 s，與θ = 45 °相比減少了65.75 s ( 10.75 % )。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了θ變化對(duì)BTMS內(nèi)PCM熔化過(guò)程的顯著影響，導(dǎo)致熔化時(shí)間的顯著變化。
從圖 11 可以明顯看出，在 t = 240 s 時(shí)，與 θ = 45? 相比，在 θ = 90? 處，BTMS 在外殼內(nèi)的 PCM 熔化部分更多。此外，對(duì)于BTMS，PCM的上部在t = 360 s和θ = 0?時(shí)主要處于液態(tài)。值得注意的是，當(dāng)BTMS在θ = 45?時(shí)，fl在PCM熔化開(kāi)始時(shí)增長(zhǎng)迅速，但在后期熔化過(guò)程中，生長(zhǎng)速率顯著下降。這種現(xiàn)象源于相變材料在熔化過(guò)程中受浮力的影響而向上聚集。如圖 11 所示，外殼內(nèi)部的熔化是明顯分層的，未熔化的固體 PCM 主要位于左下角，這也為圖 10 中 θ = 90? 的曲線相比，在 t = 505 s 時(shí)表示 θ = 45? 的延遲提供了合理的解釋。此外，當(dāng) θ = 0? 時(shí)，熔化速率增加，原因如下：（1） 在高溫下，PCMl 經(jīng)歷從加熱表面向上流動(dòng)，而自然對(duì)流在存在超重力的情況下始終增強(qiáng)傳熱。（2）流體流動(dòng)方向與熔融傳熱方向處于同向，加速了相變材料的熔化進(jìn)程。
圖6顯示了當(dāng)BTMS在不同θ時(shí)CTHC和fl之間的關(guān)系。如前所述，在熔融初期，TFin和TPCM隨著時(shí)間的推移越來(lái)越接近，導(dǎo)致CTHC緩慢增加。隨著熔融的進(jìn)行，CTHC 在 θ = 0?、45? 和 90? 處的 fl 約為 0.2，然后逐漸恢復(fù)并最終呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這種行為反映了傳熱過(guò)程中自然對(duì)流的變化，這是由于 PCMl 的增加引起的。因此，鰭片與 PCM 的?SLI?和 CTHC 之間的交界處的 Rt 升高，導(dǎo)致局部降低。然而，隨著自然對(duì)流在傳熱中占主導(dǎo)地位，CTHC逐漸上升。最后，隨著SLI因完全熔化而逐漸消失，CTHC呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。值得注意的是，當(dāng)θ = 0?時(shí)，當(dāng)fl= 0.7（約360 s）時(shí)，PCM的CTHC急劇下降，低于θ = 45?時(shí)的CTHC。如圖5所示，在浮力的作用下，PCMl不斷向上聚集，PCM的上半部分主要處于液相。此時(shí)，鰭片和相變材料的上半部分之間幾乎沒(méi)有自然對(duì)流，主要發(fā)生在相變材料在底部積聚時(shí)。當(dāng)液相分?jǐn)?shù)達(dá)到0.83左右時(shí)，由于大量的固體相變材料聚集在底部，CTHC逐漸穩(wěn)定下來(lái)，仍然與翅片進(jìn)行對(duì)流傳熱。然而，隨著相變材料的完全熔化，CTHC最終會(huì)降低。
總結(jié)與展望
本研究的目的是評(píng)估宇航用BTMS中PCM的散熱性能。它特別關(guān)注發(fā)生在BTMS內(nèi)部PCM之間的自然對(duì)流現(xiàn)象。此外，還考察了電池在不同條件下的熱性能。旨在為航天器電池?zé)峁芾矸桨傅母倪M(jìn)提供思路和參考。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)相變材料熔化過(guò)程、翅片與相變材料之間的對(duì)流換熱系數(shù)、相變材料l的Vmax、相變材料的熱膨脹系數(shù)Tbat等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析。研究結(jié)果可概括如下：
( 1 )在θ = 90 °時(shí)，當(dāng)GA從0.05 g增加到20 g時(shí)，PCM熔化加快，液態(tài)PCM的Vmax增加，電池溫度Tbat降低。這些變化歸因于相變材料內(nèi)部的自然對(duì)流，并且隨著加速度的增加而變得更加明顯。同時(shí)，電池的產(chǎn)熱及其向翅片傳遞熱量的能力保持不變，從而提高了傳熱速率。
( 2 )當(dāng)GA = 10 g時(shí)，PCM的熔化時(shí)間隨θ的增大先增大后減小。值得注意的是，在θ = 45 °時(shí)，出現(xiàn)了明顯的熔化分層現(xiàn)象。隨著固態(tài)PCM的積累，出現(xiàn)明顯的熔化分層現(xiàn)象，導(dǎo)致熔化速率和CHTC在后期下降更明顯，最終降低了傳熱效率。這也是熔融后期Tbat隨后上升的原因。
