采用仿生肺液冷板的储能电池热管理技术

2026-06-01 19:55:29

高能量密度储能电池具有能量密度高、自放电率低等优势，但其散热效率低、温度分布不均的特性制约了循环寿命与运行安全性。因此，提升散热能力与温度均匀性对电池性能及稳定性至关重要。为此，本研究提出仿生肺型液冷板散热系统，构建分叉流道与多出口布局模型，并以280 Ah磷酸铁锂电池为研究对象。通过对比传统蛇形液冷板并结合数值模拟与正交试验，系统分析了冷却液流速、放电倍率、环境温度及进出口位置对散热性能的影响。在1C工作条件和25°C环境温度下，自然冷却电池的最高温度达到349.91K。仿生肺液冷板相较自然冷却实现了约39.3%的温降，相较于蛇形板则降低约5.8%。当流速从1m/s提升至6m/s时，仿生肺板与蛇形板电池的最高温度分别下降1.05K和3.14K。然而蛇形板的温度始终高于仿生肺板，仿生肺板展现出96.9%和94.与蛇形流道相比，在1 m/s和6 m/s流速下，新型流道设计分别可降低6%的压力。正交实验与极差分析表明，放电倍率是影响电池温度的主导因素，在0.5C–2C工况下最高温度上升30.38 K；环境温度次之，在5至40°C范围内极差达14.58 K；流速影响最小，仅使温度降低7.82 K。该研究结果为储能电池热管理提供了参考依据，对提升电池循环寿命与安全性能具有重要指导意义。

引言

随着经济与科技的持续进步，全球能源需求不断攀升，导致能源短缺、气候变暖及环境污染等问题日益严峻[1][2]；要实现可持续发展，关键在于有效整合太阳能、风能等可再生能源，从而降低碳排放[3]。然而多数可再生能源存在间歇性与不稳定性缺陷。储能系统在平抑可再生能源发电波动、增强电网稳定性方面具有关键作用[4]。为实现"双碳"目标，储能技术已成为应对能源危机、促进可再生能源发展的关键技术之一，储能电池技术亦取得重大突破[5]。在常见电池类型中，锂离子电池（LiBs）凭借其长循环寿命、低自放电率和优异能量密度[6]，正逐渐成为可再生能源存储的关键技术之一。作为储能系统的核心部件，电池性能与寿命很大程度上受温度影响。LiBs在15至60°C温度区间内表现最佳，过高或过低的温度均会导致电池效率下降、寿命缩短，甚至引发安全事故[7]。因此，为提高电池使用寿命与安全性，关于电池散热及温度均匀性的研究显得尤为关键。
目前，常用的电池热管理系统（BTMS）技术包括空气冷却[8]、液体冷却[9][10][11][12]、相变材料（PCMs）[13][14]以及热管[15][16][17]。传统电池冷却系统通常采用空气冷却技术，其具有结构简单、维护方便及能耗较低的优势。关键在于优化风道结构与单元布局，以最大化气流并强化换热效果。然而，其主要的缺陷在于相对较低的热导率和对流换热系数。即使在高放电倍率下采用强制风冷方式，其温度调节效率仍处于较低水平[18]。在先前的研究[19]中，考察了基于多级二次出风口与导流板的空冷式锂离子电池热管理系统（BTMS）的冷却性能优化方案。通过增设导流板，电池组的温度分布均匀性得到了显著改善。研究结果表明，采用特定的次级出口设置并调整挡板参数可显著提升系统的散热能力与温度分布均匀性。同时开发了一种新型X型对称BTMS[20]，通过正交实验优化了出口/进口位置与角度参数以获得最优结构，并构建了传热模型。结果显示，该X型BTMS在温控精度、能效及散热性能方面均有显著提升。液体冷却系统相较于空气冷却系统具有更高的导热性能，但需采用介电冷却剂以防止泄漏导致的短路与电化学腐蚀。理想的冷却剂必须兼具电绝缘性、化学惰性、无毒及阻燃特性。此类材料在耐腐蚀密封工艺、流体回路复杂度与热管理成本方面存在工程挑战[21][22][23]。Birinci等研究者提出采用轻量化液冷散热板以提升电动汽车圆柱形锂离子电池组高倍率放电时的温度均匀性；通过增大散热板与电池接触面积并优化板体高度（30–60毫米），实现了高效散热[24]。Liu等提出了一种受人体毛细血管启发的仿生冷却通道；通过双目标拓扑优化设计，该通道显著提升了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的散热性能与温度均匀性，其最优结构实现了2.06的功率-能量转换比，性能优于传统通道[25][26]。田等人针对高温海洋环境提出了一种鱼骨仿生微通道冷板结构；优化设计使得最高温度（Tmax）降低3.71%、压降（Δp）减少75.16%、且与传统设计相比，其功率-能量转换率达到72%[27]。通过数值模拟研究了聚合物电解质膜燃料电池冷却板中多通道蛇形流场的性能[28]。研究发现，相较于传统蛇形流场，螺旋流场和四种多通道蛇形流场在温度均匀性和最高温度方面表现更优。另一研究构建了二维瞬态模型来分析20单体锂离子电池堆的电热特性[29]。通过参数化评估了放电速率、雷诺数和环境温度对空冷/液冷/相变材料冷却性能的影响。结果表明，在常温工况下液冷具有最佳的散热效率，而相变材料则呈现出更均匀的热场分布。相变材料(PCMs)具有潜热高、成本低、结构可塑性好、冷却效率优异等优势，是满足未来需求的解决方案[30][31]。基于相变材料的电池热管理系统(BTMS)具备较高潜热，能够维持电池温度均匀性[32]。数值模拟(Simulation)表明，基于相变材料的冷却技术可有效将电池表面最高温度限制在55°C以下，突显其在储能系统热管理领域的潜力[33]。基于相变材料(PCMs)的电动滑板车电池模块热管理数值-实验耦合研究表明[34]，与传统冷却方式相比，PCM/泡沫铝复合结构具有更高的温度均匀性和散热效率。%%热管凭借其卓越的导热性能，在传热效率和温度均匀性方面展现出显著优势[35][36]。采用回路热管[37]可使测试电池表面温度维持在50°C以下。%%然而受限于传热面积，热管通常需要与其他冷却部件或技术联合使用以获得更佳冷却效果。
本研究旨在通过提出一种基于仿生肺结构的液冷板来填补电池热管理系统(BTMS)领域的研究空白。建立了分叉流道与多出口布局模型，并通过系统的计算流体动力学模拟研究了冷却液流速、放电倍率、环境温度以及进出口位置对散热性能的影响。本工作的独特之处在于：(1)针对大型280Ah磷酸铁锂(LiFePO₄)电池组进行研究，(2)探讨多出口分支网络如何最大限度减小电压掉落并保持温度均匀性，(3)采用多参数正交设计探究冷却液流速、放电倍率与环境温度对热性能的协同影响。研究结果为储能电池仿生BTMS设计提供了参考依据。