在电池重量平衡过程中帮助电动汽车保持凉爽

将足够的能量装入电池为汽车供电，这给存储设备带来了很大压力，在上个世纪左右，这些设备主要负责运行小型电器和电子产品。压力正在降临到他们身上——表现为故障、性能下降甚至崩溃。德雷克塞尔大学的研究人员正试图通过消除电池的一些实际热量并为它们在电动汽车中的使用规划一条更可持续的路线来提供帮助。

在最近发表在《复合材料 B 部分：工程》杂志上的一篇论文中，由 Drexel 的工程学院助理教授 Ahmad Najafi 博士领导的研究人员揭示了一种设计优化系统，用于将类似血管的冷却网络整合到用于电动汽车的新一代碳纤维电池的包装。他们的方法平衡了性能增强因素，如电池容量和电导率，与重量和热活动等有问题的变量，这些变量可能会降低性能并导致故障，从而为任何电动汽车设计提供最佳的电池封装规格。

作者写道：“电动汽车发展并因此扩大其市场份额的主要阻碍因素之一是电池的比能量低，这使得电动汽车很重，特别是对于远程设计而言。”

多面电池

尽管日益迫在眉睫的空气质量和气候变化问题以及不断上涨的汽油价格刺激了对电动汽车的需求，但市场在过去一年中受到了一些高调的电动汽车召回的影响，这些召回被称为耐用性和安全性他们的电池受到质疑。

因此，越来越多的公司正在考虑使用固体电池——一种在电动汽车中广泛使用的大型锂离子电池的薄型、碳纤维基版本——因为它们可以巧妙地融入汽车底盘的物理结构中，作为一种减肥的方法。

根据一些估计，将汽车的重量减少 10% 可以将其两次充电之间的里程效率提高 6-8%，因此用碳纤维复合材料替换汽车框架的一部分，这种复合材料既可以作为结构部件，也可以作为结构部件作为电池，可以减轻车辆的整体重量并提高其储能能力。

加热

为了使这些结构性或“无质量”电池取得成功，设计人员必须面对一个挑战，即他们使用固体聚合物(而不是液体电解质溶液)作为其电子传输介质所带来的挑战。

“与标准锂离子电池相比，结构电池的发热将大大增加，”Najafi 解释说，因为聚合物电解质的电导率远小于锂离子电池中使用的液体电解质的电导率。这意味着电子在穿过聚合物时面临更多的瓶颈。它们被迫移动得更慢，因此在电池释放能量时会产生更多的热量。

“虽然结构电池复合材料是减轻电动汽车重量的一项有前途的技术，但它们的设计肯定会受益于添加热管理系统，”纳杰菲说。“这不仅可以提高电动汽车的续航里程，还可以大大降低热失控反应的可能性。”

保持冷静

Najafi 的研究小组多年来一直在开发用于热管理的特殊复合材料。他们的工作利用大自然自身的冷却方法——血管系统——来散热。通过修改他们发明的用于绘制最佳“微血管”网络的设计工具，研究人员能够设计出冷却复合材料，该复合材料将作为特斯拉、沃尔沃和大众等公司目前正在测试的结构电池包装的一部分。

Najafi 团队在他们的最新研究中提出的设计系统可以计算出微血管通道的最佳模式、尺寸和数量，以快速散发电池的热量，并优化通过通道的冷却剂的流动效率设计。

“这些复合材料的功能类似于内燃机汽车中的散热器，”纳杰菲说。“当冷却剂通过微通道网络时，它会吸收热量并将其从电池复合材料中拉走。”

将结构电池夹在冷却微血管复合材料层之间可以在使用过程中稳定它们的温度，并延长它们可以运行的时间和功率范围。

合适的

正如论文中所报道的，该团队的结构电池优化过程考虑了几个设计参数，例如每层碳纤维的厚度和纤维方向、活性材料中纤维的体积分数以及热调节所需的微血管复合板的数量。

为了测试每种组合，该小组测量了每个结构电池冷却复合层压板的刚度，以确保它们符合车辆结构完整性标准。然后，他们在几分钟的时间内模拟了车辆在不同速度下的能量需求，同时记录了电池的温度，车辆的预测范围。

根据研究，一个优化系统的计算机模型表明，它可以将特斯拉 Model S 的续驶里程提高多达 23%。但该团队指出，他们工作的真正价值在于它能够收集电池尺寸和重量的最佳组合——包括足够的冷却能力以保持其运行——适用于现在生产中的任何电动汽车和任何未来的设计。

“虽然我们知道减轻重量的每一点都有助于提高电动汽车的性能，但热管理可能同样重要——也许更重要的是，在让人们感觉驾驶它们时，”纳杰菲说。“我们的系统努力整合这两个领域的改进，这可能在电动汽车的进步中发挥重要作用。”

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