SSB蓄电池采用均匀梯度半球突起与矩形图案冷却系统的锂离子电池组热监测

2026-03-28 08:45:34

锂离子电池在工业应用中日益增长的性能需求要求其充放电过程保持稳定均匀的运行状态。热管理系统对于确保锂离子电池获得可靠工作温度、延长使用寿命及保障安全性具有关键作用[1][2][3]。通过采用适配的冷却结构方案，可有效调控电池温度，从而优化其循环寿命与安全运行环境条件。然而，维持均匀工作温度的热冷却可能通过降低电池容量和增加能量损耗导致电池性能下降[4][5][6]。在锂离子电池热管理中，空气冷却能力因其可获取性、低成本及低发热特性而被广泛应用。多项研究探讨了基于空气的冷却方式如何提升热管理性能。空气冷却系统通过不同形式与结构配置得到应用，从而优化电池热冷却效果[7][8][9][10][11]。在电动汽车、工业及工程应用中，采用空气管理电池组温度是一种常用方法。文献[12]研究了不同间距排列下气流对电池温度的影响。电池间间距与流场变化会导致回流区形成，从而增加压降（pressure drop）。针对锂离子电池多孔介质中气流的研究已开展[13]。多孔介质中的空气能高效移除电池热量，并将电池温度维持在5°C以下。C针对不同放电速率，采用考虑辐射影响的空冷热管理系统克服了电池组过热问题[14]，其中空气显著降低了过热效应。%%通过多孔板的对流空气研究显示，在高倍率放电条件下能有效降低电池温度[15]。由于多孔表面高速气流分离作用，7C倍率放电时温度降低了6.4°。%%针对采用螺旋射流波状通道与螺旋导流片的空冷电池热管理系统进行研究[16]，其热性能提升幅度达36.4%，具体数值取决于放电强度。C电池系统热管理的关键挑战在于温度均匀性、持久性以及安全运行温度。因此，研究重点集中于实现电池整体温度均匀分布并降低最高温度，这为新技术领域提供了方向。本研究提出了一种改进型流道设计，在电池组中每个单体电池相邻位置布置矩形与半球形突起结构。在保持矩形突起尺寸与高度恒定的前提下，相应调整半球形突起的尺寸与高度。实验测试了三种尺寸（5毫米、7毫米...Nu由于新型涡流与高流量混合作用导致电池温度降低，系统性能提升55.1%。采用风冷方式的电池组最高温升受出口条件与电池间距影响[17]。针对电池间距的优化研究表明，与普通电池组相比，最高温度可降低9.4%。另有研究探讨了采用不同凹坑设计散热片及不同风速范围的锂离子电池组冷却系统[18]。与传统裸电池组相比，采用凹坑散热片辅助的电池组温度降低了3°C，这是由于凹坑设计改变了电池间气流行为，而非仅依赖电池组内部空气流动。整体锂离子电池温度管理方案通过采用不同取向和形状的冷板肋状通道[19]，在层流条件下实现。肋条取向与形状对电池温升具有显著影响，其中取向因素的影响效果优于形状因素。热性能系数在45度及三角形肋条结构下提升了1.3倍。研究考察了电化学反应过程中锂离子电池在正负极耳处的产热效应对温度的影响[20]。随着放电倍率增大，由于热量从极耳向电解液单元的传递增强，能量效率呈现下降趋势。此外，文献[21]探究了快速充电与慢速充电工况下的电池安全性与温度控制特性。充电速率随时间递减而提升，通过调控电池温度可延长电池寿命并降低风险。文献[22]研究了低温环境下快充对锂离子电池的影响，包括电化学反应过程中的相互作用与镀锂现象。采用20C倍率快速充电可有效抑制低温镀锂，同时优化热管理并降低风险。针对高功率条件下锂离子电池的产热问题，研究[23]探讨了由电化学反应引发的电流与温升关系。新型冷却框架通过将热过程维持在标准范围内实现电池温降。此外，采用热管的热管理系统在电池组冷却中表现突出，能在设计工况下将最高温度稳定控制在限定值[24][25]。该热管系统可使不同充放电倍率下的电池温度降低1.5℃C研究了宽度为(5和10)毫米、高度为(1、2和3)毫米的冷却通道配置。重点分析了冷却系统对电池最高温度及热性能的影响。随后考察了恒定高度下尺寸梯度与恒定尺寸下高度梯度对电池最高温度的作用机制。该电池模组由七组锂离子电芯构成，电芯间保持恒定间隙并通过连接片与正负极耳相连。研究结果表明，采用优化冷却方案可使电池模组最高温度降低5.4℃。
电池短路电阻产生高热通量，在不同放电倍率下会提升电池温度[26]，具体升温程度取决于电池热导率。为控制短路过程中的温度变化，在电池表面布置了微通道冷板。该冷板能有效降低温度，尤其在短路过程中作用显著。针对电动汽车大型电池系统的温度均一性问题，研究采用了微通道结构设计[27]。通过强制风扇气流进行的电池热管理研究聚焦于电池排列方式与风扇位置的影响[28]。实验表明，当风扇置于电池系统顶部时，由于顶部结构散热效率更高，电池温度显著降低。采用附着于电池的I型通道冷却结构时，锂离子电池单体的工作温度出现明显下降[29]。电池温降效果取决于单体数量与间距分布，这两个参数同时受流体扰动与散热条件的影响。由于电池单体温度分布均匀化使散热增强，温度从307 K降至303 K，压力损失减少73%。采用强制风冷与热管相结合的混合式热冷却技术，可有效降低电池包最高温度并提升放电过程中的热管理性能[30]。电池放电时最高温度降至37.5℃，温度均匀性提升至73.4%。采用液体冷却作为电池热管理手段具有显著优势，因其既能保证温度均匀分布又可强化散热效能[31][32]。此外，采用相变材料调控电池温度是一种改进方法，可均衡电池温度分布并降低放电过程中的风险[33][34]。文献[35]探讨了具有相变效应的液冷技术在不同C倍率下对电池热管理的影响。相较于普通电池，其最高温度在1C倍率下降低1.23%，在2C倍率下降低5.15%。通过改变相变材料厚度、放电速率及外部传热系数，该材料被用于控制高倍率（2C、3C和4C）放电时的电池温度。°C[36]。电池温度降低了9.85K，发热量减少了6.82%。采用PCM（底层石蜡）可有效控制锂离子电池因热积累与火灾引发的安全隐患[37]。PCM厚度是决定电池放电过程中是否发生火灾的关键参数。研究探讨了PCM对锂离子电池热管理系统的影响，以防止电池在高倍率放电时出现过热与失效[38]。通过考量PCM储能在冷却系统中的核心作用，成功将高倍率放电时的电池温度控制在50°C以下。C研究采用PCM与自然对流空气的混合冷却系统作用于电池组，确保不同放电倍率下温度分布均匀[38]。通过优化PCM浓度配置，电池过热现象得到有效抑制，温度始终维持在50°C以下。C采用均匀电池温度梯度的冷却系统。该系统结合相变材料（PCM）、热管和喷雾冷却技术进行电池热管理，用以控制电池工作温度[39]。其输出能量提升至62.5%，最大温差降至2.6°以下%% 这显著提升了电池寿命与安全性。此外，采用纳米流体可大幅提高锂离子电池冷却效率[40][41]。研究证实，通过热沉内流动的纳米流体可降低电池温度，既能提升温度均匀性又可实现电池降温[42]。在压降增加的情况下，最高温度降低幅度达28.65%。另有实验研究通过在高压放电条件下将电池组浸入油道来实现锂离子电池组的热控制[43]，成功将电池温度波动控制在0.C电池组工作温度升高5°C时，采用浸没式液冷技术可提升高放电倍率（C-rate超过8）下锂离子电池组的热效率[44]，该技术能延长电池寿命并提高安全性。实验数据显示，浸没冷却使电池温度降低24°C。C在8倍放电倍率下，采用该冷却系统的电池组热性能较无冷却系统组提升47.4%。通过射流冲击法[45][46]可快速导出电芯产热。研究[47]表明，采用带射流入口的涡流发生器可优化电池包温度分布均匀性，最高温度降低5℃，最低温度下降21.5%。此外，液相冷却系统中的多孔介质能提升电池系统热性能并降低温度不均匀性[13][48]。由于新型湍流模式及流体混合作用[49]，电池表面温度显著下降且散热效率提升。多孔介质结构使最高温度降低20%，并改善了温度均匀性。
本研究探究了层流条件下采用矩形图案、半球形突起及梯度表面等多种设计的空气冷却电池组热管理性能。矩形图案以恒定参数水平排列于电池组表面，通过调整半球形突起的直径与高度提升热性能表现，继而研究了渐变直径结构与渐变高度对热特性的影响。采用Solidworks软件构建电池组模型，并基于ANSYS软件的MSMD功能进行仿真。研究设置了(5、7.5及10)mm三种直径尺寸与(1、2及3)mm三种高度参数，通过电池性能与冷却效果的实验数据验证模型可靠性。同时计算热性能因子以优化冷却系统对电池温度的调控作用。