研究背景

传统发动机车辆是碳排放的重要来源之一，占全球碳排放量的25 - 30%。锂离子电池具有高能量密度、高功率密度、高电压输出、高比能、平坦放电特性、超长保质期等优点，是电动汽车和混合动力汽车的首先选择的电池。为了在整个电池模块中实现所需的热均匀性，在确定接触面积的变化时，必须考虑从每个电池传递到冷却剂的热量。因此，本文建立了一种新的变接触面积关系，旨在通过液冷剂均匀地从每个电池中散热，以保持整个电池模块的热均匀性。利用所提出的递归关系得到了圆柱形电池模块的液冷BTMS的不同几何形状。在最高温度(Tmax)、最高温差(ΔTmax)和重力能量密度方面，比较了从所提出的关系中得到的不同几何形状的性能，并与恒定接触面积的btms进行了比较。该关系可适用于不同尺寸、布局和排列方式的电池模块的BTMS设计。

研究内容

在稳定状态下，热量被放置在电池和冷却剂通道之间的导电铝块从电池中带走。铝块与冷却液通道之间的接触面积设计为从第一个电池到最后一个电池依次增加。这样的设计策略倾向于减小电池模块的温差。图1(a)为单个电池及其与铝块的角接触示意图。图1(b)显示了一系列多节电池，排列间隙为2mm，周围是冷却剂通道。角θ(图1(a))用作确定铝块与冷却液通道之间接触面积的参数。冷却水采用水作为冷却剂，冷却液在截面为65 × 2mm2的通道中流动。

图1(a)单个电池与铝块的基本原理图，(b)与冷却液通道接触面积增大的串联电池示意图。

图2(a)示出电池模块达到稳态后的温度曲线。随着冷却液通过铝块不断吸收电池的热量，冷却液的温度在流动方向上升高。因此，单个电池的最高温度也在冷却剂流动方向上升高(图2(b))。模块第一块和最后一块电池的Tmax分别为38.7°C和40.1°C。如图2(c)所示，由于电池在径向的导热系数较低(表1)。电池模块(ΔTmax)的最高温差为1.4◦c。在基本情况下得到的Tmax和ΔTmax值完全在前面提到的允许范围内。因此，通过使用所提出的接触面积关系获得的电池模块的基本情况几何形状导致模块中的ΔTmax显着降低，同时实现整个模块的热均匀性(图2(a))。

图2 (a)冷却剂流量= 2.6 mL/s时电池模块温度分布图(◦C)， (b)流动方向排列的电池Tmax(◦C)， (C)第一节和最后节电池径向温度分布图(◦C)。

图3(a)所示。由于冷却剂流量的增加而引起的传热系数的增加(对于相同S1的几何形状)在确定接触面积的增加速率方面起着重要作用。对于较高的冷却剂流量值，设计的配置要求在流动方向上的接触面积的增量较小。第一接触角θ1决定了图3(a)中纵轴上的截距值。如图3(b)所示。为了保持电池模块内的热均匀性，由于温差减小，冷却剂与铝块之间的换热系数下降，需要增加流向上的接触面积。连续两次迭代得到的接触面积分布随着几何迭代次数的增加而收敛。在第二次迭代后，传热系数的变化小于5%，没有明显的优势。从图3(c)可以看出，每次迭代后，所有几何图形的Tmax值都在减小。电池模块ΔTmax与迭代次数的关系如图3(d)所示。可以观察到ΔTmax的值在每次迭代后都会减小，并且与Vd和S1有关。第二次几何迭代后，几何A在A - d中Tmax值最高，ΔTmax值最高，几何C Tmax值最底，ΔTmax值最底。由于几何形状A和B设计用于较低的冷却剂流速，因此与其他几何形状相比，ΔTmax值在这些情况下更高。由此可见，即使在较高的冷却液流量下，S1对电池模块ΔTmax值的决定也起着重要作用。

图3 (a)几何形状a - D的电池与铝块的接触面积，(b)几何形状D的接触面积随几何迭代的变化;(c) Tmax(◦c)和(d) ΔTmax(◦c)的几何图形A-D的迭代变化。

图在BTMS运行期间，在其他运行参数保持不变的情况下，冷却剂通过系统的流量是影响模块ΔTmax的主要变量。图13(A)描述了几何形状A - D的Δ Tmax随冷却剂流速的变化。图13(b)为对图13(a)数据进行四次多项式曲线拟合后得到的曲线图。拟合曲线的R2值均大于0.9999。识别Δ达峰时间为目标函数最小化,和冷却剂流量V作为仅有的决策变量,图13中的拟合多项式(b)分化对诉产生的衍生品对应于每个几何图形是预测的值设置为0 V的btms。

图4 (a) a - d几何形状下电池模块ΔTmax(◦C)随冷却剂流量V的变化情况，(b)多项式拟合后的对应曲线图。

结论

综上所述， 在本工作中，建立了一种新的变接触面积递归关系，用于设计液冷BTMS，以实现温度均匀性和Tmax值在允许范围内。根据所提出的递推关系，电池和相应铝块之间的接触面积沿着冷却剂流动方向增加，以补偿冷却剂和电池之间温差的减小。不断增加的接触面积确保了每个电池到冷却剂的热流速率几乎相同，从而保持整个模块中电池的温度均匀。所提出的可变接触面积几何形状取决于设计流速、第一电池接触角和冷却液(水)的热物理性质。建立了电池模块的三维传热和冷却液流动模型，并与文献中的实验结果进行了验证。数值研究进行了不同的情况下的可变和恒定的接触面积几何(表3)。Tmax降低了0.7%，ΔTmax从5.7◦C到1.5◦C(降低73.9%)在可变接触面积几何(几何- f)与恒定接触面积几何(几何- f)。同样，可变接触面积几何形状在Tmax方面优于等平均接触面积几何形状3.7%，ΔTmax优于72.5%。一般来说，Tmax随冷却剂流量的增加而减小。但ΔTmax初始值随着冷却剂流量的增大而减小，达到最小值，然后随着流量的进一步增大而增大。可变接触面积几何比等最高接触面积几何的重量低57.2%。根据系统的允许规格，在设计BTMS时必须考虑泵送功率、重量和允许工作温度范围等多种因素。本文提出的可变接触面积关系可用于设计模块内温度均匀性更好的BTMS，并可应用于各种形状和尺寸的电池。

信息来源：传热与传质

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。