DOI Link:
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126665
Googlescholar:
https://scholar.google.com/citations?user=m89r5jcAAAAJ&hl=en&oi=sra
ScienceDirect:
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56979448700
UniversityWeb:
https://see.hebut.edu.cn/jsfca/90251.html
3. 收录日期
1. 科学问题
磁场强度与方向对电池热管理、NEPCM熔化行为、温度均匀性及预热效率的影响，以优化电池热管理系统并提高性能与安全性。
2. 实验与模型方法
1. 模型概述
电热薄膜紧贴26,650型号LiFePO4电池表面，浸入NEPCMs中，并暴露在磁场中，形成IBTMs（Fig. 1(a)）。
2. 电热薄膜特点
电热薄膜由铜线印刷在铝板上，通电后产生焦耳热以预热电池，具有良好的柔性和1mm的薄厚度。
3. NEPCMs材料组成
选择的NEPCMs由不同质量分数的Fe3O4纳米粒子和n-二十烷组成。
4. 磁场生成与调节
磁场由赫尔姆霍兹线圈产生，通过电流流动调节磁场强度。
5. 物理属性
26,650型LiFePO4电池、n-二十烷和Fe3O4纳米粒子的物理属性分别列于Table 1和Table 2中。
6. 高温和低温条件下的热性能
高温：系统初始温度35℃，电池以3C速率放电，通过NEPCMs在磁场影响下冷却。
低温：系统初始温度-20℃，电池通过电热薄膜产生的焦耳热预热至指定温度。
7. 电热薄膜体积忽略
电热薄膜体积相较于系统较小，因此在数值模拟中忽略其体积影响。
8. 几何形状和边界条件
物理模型的几何形状和边界条件 Fig. 1(b) ：
电池与PCM接触部分为耦合边界，非接触部分为绝热边界。
NEPCMs的圆周表面与空气发生自然对流换热，换热系数为5.7 W·m−2·K−1，其余表面为绝热边界。
Fig. 1. (a) Physical model and (b) general geometry and applied boundary conditions of IBTMs.
2.2 数值方法
1. 电池模型
(1) 能量方程
(2) 热生成率
2. PCM模型
(1) 相变过程的求解方法
采用焓-孔隙度方法求解相变过程中的传输方程，整个计算域视为多孔介质。
固体和液体区域的孔隙度分别为1和0，中间区域为“糊状区”，由糊状区常数控制。
(2) 连续性方程
(3) 能量方程
(4) 焓表达式
(5) 动量方程
传输方程中还包括动量方程，用于描述不同方向上的流体速度和压力梯度，结合热扩散系数模拟相变过程。
(6) 磁场和浮力影响
PCM中的自然对流受温差驱动，使用Boussinesq近似模拟。
NEPCMs在磁场作用下也会受到类似重力的体积力，称为凯尔文力。
(7) 凯尔文力计算
磁场产生的凯尔文力
(8) 热物理性质计算
Fig. 4. The substitute ISC fault experimental platform
3. 研究结果
3.1 数值计算与验证
1. 数值计算方法
采用有限体积法（FVM）进行瞬态模拟，使用Ansys Fluent软件进行计算，基于假设的物理模型和边界条件。
通过UDF实现耦合热-流-固模型，模拟NEPCM磁化后的磁加速度和磁浮力。
使用SIMPLE算法求解控制方程，动量和能量方程采用QUICK格式，收敛残差标准为1 × 10−5。
2. 网格数量对结果的影响
(1) 网格数量与温度曲线
Fig. 2(a) 网格数量增加到67,275时温度曲线平滑，进一步增加网格数量对温度变化影响不大。
(2) 选择网格数量
选择67,275个网格以保证计算精度和降低计算成本。
3. 时间步长的影响
(1) 时间步长对温度曲线的影响
Fig. 2(b) 五种时间步长下温度曲线差异微小，表明时间步长对结果精度影响可忽略。
(2) 选择时间步长
选择0.4秒时间步长以提高计算效率。
Fig. 2. Temperature variation for (a) grid independence study and (b) time step independence study.
4. 液相分布与熔化趋势
(1) 液相分布对比
Fig. 3(a) 两个研究在Fo*Ste = 0.3时的液相分布一致，熔化趋势相同。
(1) 液相分数随时间变化
Fig. 3(b) 液相分数随时间变化的趋势一致，最大差异为3.23%，验证了耦合数值方法的可靠性。
3.2 NEPCMs厚度和纳米粒子质量分数的影响
1. NEPCMs厚度的影响
4 mm厚度：当厚度为4 mm时，NEPCMs的潜热不足以吸收电池释放的热量，导致电池温度迅速上升。此时，热量的积累加速温度的增加。
8 mm厚度：Fig. 5(a) 8 mm厚度下，NEPCMs通过接近等温的相变过程有效地控制了电池温度，液相分数适中，确保了良好的热管理和安全性。
10 mm厚度：当厚度增至10 mm时，Fig. 5(b) NEPCMs无法完全熔化，固体NEPCMs吸收大部分热量，导致系统能量密度下降，降低了热效率。
2. 纳米粒子质量分数的影响
温度变化：随着纳米粒子质量分数的增加，电池最大温度逐渐降低，但效果逐渐减小。Fig. 4 随着质量分数从2%增加到8%，电池最大温度逐步下降。
热导率提升：纳米粒子的高热导率有效提高了NEPCMs的热导性，从而降低了电池温度。
高质量分数的副作用：当纳米粒子质量分数超过6%时，粘度的增加导致液体NEPCMs的自然对流热传递受限，从而使温度降低效果减小，Fig. 4显示在6%到8%质量分数范围内，温度降低效果逐渐趋于平缓。
3. 最佳组合选择
6%质量分数与8 mm厚度：综合考虑，6%的纳米粒子质量分数和8 mm的NEPCMs厚度是最佳选择。这一组合能有效提高热散热性能，并避免能量密度下降，确保电池在安全范围内运行。
Fig. 4. The maximum temperature of battery at different mass fractions and PCM thicknesses.
Fig. 5. (a) Temperature variation of battery and (b) liquid fraction variation of NEPCMs at different PCM thicknesses at 6 % mass fraction.
3.3 磁场强度和方向的影响
1. 磁场强度对电池温度的影响（Fig. 6）
温度变化：随着磁场强度增加，电池最大温度逐渐降低：300 Gs时为40.2℃，600 Gs时为39.5℃，900 Gs时为39.2℃。
降温幅度：温度降低幅度呈现逐渐减小的趋势，分别为13.66%和5.01%。这一现象表明，磁场强度提升对温度降低的效益有限。
热管理需求：低磁场强度时，电池温度过高，超过了40℃，无法满足热管理需求；而高磁场强度则有效降低了温度，满足了热管理要求。
Fig. 6. Temperature variation of battery at different magnetic field intensity.
2. 磁场强度对NEPCMs液相分布的影响（Fig. 7）
不对称熔化：随着磁场强度的增加，NEPCMs的熔化呈现出不对称的趋势：磁浮力导致左侧的NEPCMs向电池中心集中，抑制了热量的传导，而右侧的NEPCMs则加速熔化。
温度非均匀性：高强度的磁场导致NEPCMs在熔化过程中的不均匀性，进而增加了电池温度的非均匀性，可能影响电池的安全性和寿命。
Fig. 7. Liquid fraction distribution of NEPCMs at different magnetic field intensity.
3. 磁场方向优化对温度控制的影响（Fig. 8）
温度变化：轴向磁场（案例2）相较于径向磁场（案例1）能更有效地控制电池温度，最大温度减少0.18℃（300 Gs），但随着磁场强度增大，温度上升速度有所加快。
均匀性改善：轴向磁场改善了电池温度的均匀性，尤其是在电池的各个区域，温度波动较小。
Fig. 8. Comparison of battery temperature variation between Case 1 and Case 2.
4. 磁场方向对NEPCMs熔化过程的影响（Fig. 9 10）
熔化趋势：案例2（轴向磁场）中的NEPCMs熔化趋向对称，提升了温度均匀性。
热传导影响：然而，轴向磁场未能有效促进液体NEPCMs的对流，导致在熔化完成后出现热量积聚，影响了后期的热传导效率。
Fig. 9. Comparison of liquid fraction distribution between Case 1 and Case 2 at different magnetic field intensities in (a) 800 s; (b) 1100s.
Fig. 10. Comparison of temperature and flow distribution between Case 1 and Case 2 at 900 Gs in (a) 800 s; (b) 1100s.
5. 温度均匀性分析（Fig. 11, 12、Fig. 13）
均匀性指数：温度均匀性指数显示，案例2在径向分布上的温度均匀性明显优于案例1。
温度波动：案例2的温度均匀性指数显著降低，尤其在径向方向上，证明轴向磁场能够有效减少局部热点，提升温度均匀性。
安全性与性能：轴向磁场不仅减少了温度波动，还降低了电池的温度不均匀性，进一步提高了电池的安全性和性能。
Fig. 11. (a) Radial subregional division of battery; (b) Average temperature of different radial regions in Case 1 and Case 2.
Fig. 12. (a) Axial subregional division of battery; (b) Average temperature of different axial regions in Case 1 and Case 2.
Fig. 13. Comparison of temperature uniformity index between Case 1 and Case 2 at different magnetic field intensities of (a) radial subregion and (b) axial subregion.
3.2. 联合系统的预热性能研究
1. 低温对电池性能的影响
低温环境会导致电池性能和寿命显著下降，因此，研究IBTM系统在低温下的预热性能以提高电池温度，缓解低温不良影响。预热目标是将电池温度从−20 ℃提高到20 ℃。 2. 预热模式设计（Fig. 14）
- 模式1
电热膜绕电池周围加热。 - 模式2
电热膜应用于电池的顶部和底部加热。 这两种模式分别针对电池的各向异性热导率进行了优化设计。 3. 预热效率评估指标
- 系统能量消耗
固定加热功率下的能量消耗与加热时间成正比。 - 温升速率
电池温度升高与预热持续时间的比值。 - 最大温差
电池内部最高温度与最低温度的差异，用于量化预热过程中的温度均匀性。 4. 预热效果比较（Fig. 15、Fig. 16）
- 加热时间
模式1加热从−20 ℃到20 ℃所需时间为648.5秒，模式2为728.5秒。 - 能量消耗
模式1的能量消耗为3243 J，模式2为3643 J。 - 温升速率
模式1的温升速率为3.7 ℃·min−1，模式2为3.3 ℃·min−1。 - 预热效率
模式1显示出较高的预热效率和较低的能量消耗。 5. 温度均匀性比较
- 最大温差
模式1的最大温差为11.4 ℃，由于电池的径向热阻较高，导致外表面温度积聚较多，电池核心温度较低；而模式2的最大温差为2.2 ℃，符合温度均匀性的要求，适合保持电池的长期稳定性。 - 推荐模式
尽管模式1具有较高的预热效率，但由于其径向温差较大，可能影响电池的寿命。相比之下，模式2提供了更优的温度均匀性和较低的热应力，因此更为推荐。 6. 电池内温度分布（Fig. 17）
在800秒时，模式1显示出明显的热积累效应，电池外表面温度较高，而中间部分仍较低，导致径向温度梯度过大，这对于电池寿命极为不利。
Fig. 14. Schematic of different heating modes. (a) Mode 1: heating around the peripheral side; (b) Mode 2: heating at the top and bottom ends.
Fig. 15. Variation of battery minimum temperature and temperature difference during the preheating process for Modes 1 and 2.
Fig. 16. Comparison of energy consumption and temperature rise rate between Mode 1 and Mode 2.
Fig. 17. Comparison of temperature distribution between Mode 1 and Mode 2 at 800 s.
4. 重要结论
磁场强度与方向
增强磁场可降低电池温度，但效果逐渐减弱。轴向磁场分布对温度均匀性更有益。
NEPCM熔化与磁场
磁场使NEPCM熔化不对称，增加温度不均，影响电池安全。轴向分布减轻此问题。
预热模式比较
模式1效率高，但温差大；模式2温差小，适合长期稳定性。
能量消耗与加热效率
模式1能效高，模式2温度均匀性好，但能量消耗较高。
温度均匀性与电池性能
模式1温差大，可能影响寿命；模式2提供更好的温度均匀性。
