通过带回流微通道结构的冷却条提升圆柱形电力SSB蓄电池组件的热管理性能
2026-07-25 11:19:49
如果车辆锂离子电池在放电过程中产生的热量未能及时去除，将会发生热失控，威胁车辆乘员的安全。由于锂离子电池的工作温度要求（范围为20至40°C），其最大可容忍温差为5°C，高效的热管理保证了其安全性和寿命。本研究聚焦于圆柱形电源模块，提出了具有回流微通道结构（CS-RMS）的冷却条，并探讨了冷却条布局形式和结构参数如何影响电池的热管理性能。值得注意的是，回流式冷却条的数量对电池的散热能力有显著影响。冷却条过多和过少都对热管理系统有害。方案3由三条冷却条组成，表现出较低的最大温度值（T）马克斯）以及温差的最大值（ΔT马克斯其压降（ΔP）显著较低。Nusselt数（Nu）和性能系数（pf）也表明Scheme-3拥有更优异的热液压性能。此外，还考虑了冷却条前向通道高度对散热系统性能的影响，发现更均匀的前向和回流通道布置更有利于提升电池热管理系统（BTMS）的性能。最后，BTMS通过正交试验进行了优化，最优参数集确定为H3F2T1与T配合，散热性能优异马克斯301.50 K 和 ΔT马克斯气压为4.98开尔文，低压降，压力压力为557.84帕。
简介
新能源汽车（NEVs）的进步是建设低碳社会的关键环节之一，这对人类健康且可持续的发展至关重要[[1]， [2]， [3]， [4]， [5]]。作为NEV的核心组件，热管理系统对电池寿命和乘客安全起着关键作用。锂离子电池放电时会产生大量热量[6,7]。一旦热量积累速率超过热管理系统的散热阈值，电池内部温度会急剧上升，从而引发热失控[8,9]。相关研究表明，锂离子电池的正常工作温度区间在20-40°C之间，最大允许温差要求热管理控制在5°C以内[10,11]。一旦超过该续航范围，锂离子电池在运行过程中往往会出现热失控，这对车内人员的安全构成致命风险[12,13]。因此，有效的电池热管理技术不仅提升了电池的工作效率，还延长了电池的使用寿命并提升了运行安全性。
电力电池采用的热散散方法主要包括风冷、液冷、相变冷却和热管冷却。这些方法在散热原理、散热效率和成本方面存在显著差异。对于空气冷却，这种热散发方法之一，以气体为散热介质，热传递效率较低，因此不适合用于车载电源[14,15]。热管冷却通过管道内高度汽化工质中的相变传递热能，散热能力相对较低[16,17]。相变冷却技术通过利用相变材料（PCMs）恒温吸热特性来调节电池温度。它能够快速传热，以平衡电池间的温差，并且相对适用于混合热管理系统[18]。由于液冷具有较高的比热容和流动液体能轻松带走热量，已成为目前最广泛使用的散热方法[19]。液冷分为两类：直接冷却和间接冷却。直接冷却具有高散热效率，但对电力电池及相应热管理系统的密封性能有严格要求[20]。虽然间接冷却的散热效率低于直接冷却，但它同时在相对较低的工艺需求和显著的散热性能之间取得了平衡，因此成为当前电动汽车中最常用的散热方法[21]。
液冷散热系统的创新设计和性能优化是当前研究热点。相关研究主要关注三个方面：（1）新型散热结构的设计;（2）结构和操作参数的影响分析;（3）BTMS性能改进。
在设计创新散热结构及其性能分析领域，提出了多种基于多形态集成或仿生设计的新型热管理结构[[22]， [23]， [24]， [25]， [26]]。Toygun等人[22]开发了一种新型混合BTMS技术，将波浪微通道与复合PCM耦合。研究发现，流量范围在1.0-2.0升分钟之间−1流量的变化对电池表面温度没有显著影响。Zhou等人[23]设计了一种新型仿生血管通道液冷板，比较结果显示：与V形通道不同，这种模拟血管仿生液冷片呈现出T型马克斯也就是低了3.14°C。与蛇形通道相比，其冷却水泵功率降低了0.088瓦。Zhan等[24]开发了具有仿生叶脉结构的热耗散通道。实验结果表明，采用BCTP模式的散热结构整体散热性能更佳。这些结果也显示了T马克斯与OCP结构相比，温度降低了0.71°C，同时热均匀性提升了29%。Rishav等人[25]构建了一个结合PCM与离子风的混合热管理系统。该系统的散热系数比自然对流条件下高出260%，电池平均温度和电池外表面温差均显著降低。Xu等人[26]设计了一种新的扳手形圆柱形电池散热结构。观察发现，冷板内上下游部分交汇处的冷却能力增强，抑制了电池温度单调上升的趋势。
此外，近年来研究人员对圆柱形锂离子电池模块的结构设计进行了广泛研究[[27]， [28]， [29]， [30]]。Birinci 等人[27]提出了6S6P模式电池模块构型，其流道形态类似于传统的蛇形流道。他们系统分析了通道高度、冷却流体流量和排放速率对模块热管理性能的影响。Esmaeili等人[28]设计了一种扭曲带结构。通过采用非均匀扭转带布置方案，模块的温度均匀性得到了有效提升，最小 ΔT马克斯11.25千吨。此外，董等人[29]提出了一种新型的圆柱形锂离子电池双螺旋结构，有望显著提升单电池的散热性能。然而，该结构存在较高的寄生能力，温度均匀性仍有改进空间。Wu等人[30]设计了多条平行流通道，并系统地研究了平行通道流向排列对电池模块散热性能的影响。结果表明，逆流布置更有利于提升模块的温度均匀性。如上所述，大多数现有结构设计未能充分整合电池模块的温度分布特性，导致难以实现散热性能、温度均匀性和低寄生功率的协同优化。
散热系统的结构和运行参数对其热散发性能有显著影响，是设计和优化功率BTMS [[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]]的核心研究内容。Khoshvaght-Aliabadi等人[31,32]发现，利用sCO2因为冷却液显示出显著优势。它不仅通过消除冷却液温度回收系统降低系统复杂性和成本，还确保了精准的温度控制和电池模块的极佳温度均匀性。Bai等人[33]分析了流量和管道直径对散热性能的影响。结果显示，热管理系统的关键散热性能指标（T马克斯， ΔT马克斯）主要受流量影响，而ΔP主要受管道直径控制。Li等人[34]通过调整进气口数量进行了比较实验，发现双侧进气结构在性能上显著优于单侧进气结构。此外，其 ΔT马克斯以及T马克斯分别下降38%和2.5°C。Zare 等人[35]提出了一种开创性的内外散热片组合设计，通过调整散热片数量，他们发现BTMS采用四组内外散热片，相比无散片的PCM冷却系统，电池表面温度分别降低了9.90 K和17.45 K。任等人[36]提出了一种可变冷却液流量冷却策略，能够有效减少BTMS冷却剂消耗和水泵功率消耗，同时确保冷却性能等同甚至更优。Almaasfa等人[37]研究了热汇厚度的影响。厚度从0.5毫米增加到4毫米后，电池表面温度显著下降，在3C放电率下降低了40.9%。
BTMS的优化是进一步提升热管理性能的关键[[38]， [39]， [40]， [41]]。Pan 等人[38]采用了粒子群优化（PSO）算法来优化系统控制参数。研究指出，分阶段控制冷却液流量的策略能够有效降低系统能耗，同时确保电池温差符合所需标准。Wang 等人[39]利用多目标遗传算法（MOGA）优化蛇形通道参数和水流速率。优化结果显示，电池模块的温度均匀性显著提升，最大压力降低了13.28%。Sutheesh 等人[40]基于多目标遗传算法优化了仿生流通道，发现 ΔT马克斯鱼骨形流道设计的ΔP均显著降低。Xu等人[41]采用正交实验设计方法，研究分流板结构参数如何影响散热性能。研究结果显示，在分流板数量增加的背景下，单个电池单元间的平均温差呈逐渐下降。与此同时，分流板的偏转角及其相应长度对电池模块的热平衡性能产生了显著影响。
总之，现有研究主要聚焦于结构创新、影响因素讨论以及性能优化分析。其核心方法集中在提升冷却系统的局部或整体热传递效率，以实现卓越的散热性能。然而，关于电池组件整体温度分布特征的研究却很少。然而，开发中未考虑电池模块温度分布特性的散热系统，往往无法实现优异的热-液压性能。因此，以往研究表明电池模块腰部温度相对较高，单一流通道下游电池温度也较高。
因此，本研究利用电池组件的温度分布特性，创新地提出了一种带回流微通道结构（CS-RMS）的电池组件冷却条。该结构的创新之处在于将低温冷却剂保留在电池模块的腰部区域（高温区），而回流的高温冷却剂（分布在电池模块的顶部和底部）则可以平衡冷却剂上游和下游之间的温差，位于前流通道中。也就是说，低温冷却剂被引导到模块的高温区，以实现更高的散热能力（降低最高温度），而高温时冷却剂则引导至模块的低温区，以实现更好的热均匀性。由于冷却条的散热面积与冷却条的溢流和回流区域相关，直接决定了模块高低温区的散热能力，本研究进一步探讨了流出流和CS-RMS对其热散发性能影响的定律。最后，BTMS采用正交实验方法进行优化，考虑了三个关键因素：通道入口高度、冷却剂入口温度和冷却剂流量。本研究为圆柱形电池模块的热管理系统设计和优化提供了新的技术理解和理论指导。
