SSB蓄电池顺排变间距电池模块共轭数值热性能分析
2026-03-29 21:07:32
电池模块的结构排布是选择电池系统热管理合适参数的关键因素之一。本研究针对由49个电池单体(7×7)组成的可变间距直线排列电池模块，探究了四种不同工况。研究采用1 m/s、2 m/s、3 m/s和4 m/s的进气速度，在1C放电倍率(5318 W/m3) 和 2C（19,452 W/m²）3) 被选作主要研究参数。当前数值模拟采用的计算模型由一个外部空气腔体构成，电池模块置于该腔体内部。%%采用基于二阶迎风方案的有限体积法求解热力学与流体流动控制方程。压力-速度耦合通过SIMPLE算法实现，并选用k-ε湍流模型来捕捉流经电池模块的气流特征。计算结果呈现了平均温度(%% )以及温度标准偏差(），最高温度（ag），最大温差（(T），以及压降（sd箱体进出风口之间的压差(ΔP)。研究结果表明，为获得电池模块的最佳热性能，进出风口的结构布局起着至关重要的作用。电池单体温度分布的均匀性在很大程度上取决于进出风口位置、电池放电速率以及入口流速。此外还观察到，电池冷却系统的总体运行成本主要取决于电池模块结构布局、放电速率和流体流速。Tmx), maximum difference in temperature ((Td)mx), and pressure drop (Pdp) between inlet and outlet vents of the enclosure. From the results it is concluded that, for optimal thermal performance of the battery module the structural arrangement of inlet and outlet vent plays a very crucial role. The uniform temperature distribution of battery cells to a greater extent depends on the location of inlet outlet vents as well as on battery discharge rate and inlet velocity. Further it is also observed that the overall operational cost of battery cooling system depends largely on battery module structural arrangement, discharge rate, and flow velocity.
引言
近年来，锂离子电池（LiBs）凭借低自放电率、高放电电压、无记忆效应、长循环寿命及高能量密度等关键优势，已成为电动汽车（EVs）的主流动力源[1]。然而在放电过程中，电池模组与电池包会因内阻和电化学反应产生热量。若这些热量无法被高效及时地导出，将会持续积聚并导致温升现象。这种热量积聚会对电池的循环稳定性产生负面影响，严重情况下可能触发热失控[2]。随着锂离子电池能量密度的持续提升，过热问题变得愈发关键。这凸显出对先进电池热管理系统(BTMS)日益增长的需求，这类系统需能有效消散多余热量并降低热相关故障的发生概率[3]。近期研究强调了有效热管理(TM)对确保锂离子电池系统寿命、安全性和性能的重要性。Huang等人[4]对比研究了直角通道与流线型平行通道的液冷性能，证实平板表面采用流线型通道能显著提升锂电池组的温度均匀性，同时降低压力损失。Deng等[5]则系统分析了冷却液入口温度、通道数量及排布方式等参数的影响，强调通道设计与冷板构型对实现高效散热的关键作用。
尽管针对传统矩形通道已开展大量研究，但由于流动分布的限制，冷却效率的提升始终有限。为解决这一问题，液体冷却板主要采用了两类优化方法：其一为拓扑优化——Zou等[6]采用连续体方法、Tang等[7]运用变密度拓扑法优化微通道结构，Wang等[8]则将三维拓扑优化技术拓展至燃料电池冷却流道设计领域。第二种方法是仿生设计，即从自然生物结构中汲取灵感。例如，Yang等人[9]提出了一种蜂窝状圆柱形电池包(BPs)的风冷系统，通过加装空气分配板使模组温差维持在2℃以内。同样，Jaffal等人[10]开发了一种带有蛇形通道的肋片式冷却板，发现传热性能主要受肋片取向而非肋片几何形状影响。Song等人[11]研究了一种将相变材料(PCM)与液冷集成于统一构型的先进电池热管理(BTM)方法。通过建立三维数值模型评估采用热柱和均热板的圆柱电池模组热行为，重点分析了电池间距、均热板厚度及热柱尺寸等关键设计参数对性能的影响。结果表明，与单独使用液冷或相变材料相比，该复合系统能有效降低稳态温度和温升速率。
Li等人[12]提出了一种基于模块化优化的锂离子电池组（LiBPs）概念设计方法，重点关注热性能表现。该研究通过神经网络和粒子群优化模型，对交错式、菱形和矩形等多种电芯排列方式进行了温度控制与单元间距的评估。结果表明，当最佳间距处于6至7毫米区间时，交错式及混合式布局能显著提升散热效率。然而，温差异与间距之间的非线性关系凸显了平衡设计的必要性。Zhu等人文献[13]通过建立解析热阻模型与数值模拟方法，研究了圆柱形锂离子电池模组的热特性。该模组采用径向与轴向双通道散热结构，通过热柱、导热扩散板与冷板接触的协同作用实现散热。研究分析了扩散板尺寸、热柱形状及电池间距等关键结构参数对温度场分布的影响，其中热柱横截面积对温控效果具有最显著影响。分析模型与模拟结果高度吻合，为优化电池热设计提供了高效可靠的工具。Jilte和Kumar[14]研究了混合动力与电动汽车用锂离子电池模块在高倍率放电工况下的热行为。研究通过用户自定义函数建立三维瞬态热模型进行模拟，评估了散热与产热特性。冷却系统采用开放式侧壁设计并增大电芯间距，以强化气体排放与气流组织。结果表明该方案能有效控制温度，即使在6.94C放电倍率下，电池峰值温度仍低于28℃，且电芯间温差仅为0.11℃。这些发现验证了所提空气冷却TM策略的有效性。
Shweta与Suryavanshi[15]提出了一种创新的气流分布策略，以提升电动汽车锂离子电池包的热管理性能。该研究通过构建九种多孔铝板设计的3D模型，评估了5P5S排列的26,650圆柱形电池的冷却与气流特性。采用计算流体力学(CFD)模拟分析了C倍率、电池间距、入口温度及气流速度的影响。实验表明，2毫米间距配合特定C倍率对应的最佳风速可确保均匀冷却效果。研究证实，优化流道布局能显著提升电池热管理系统效能。Sofi与Qayoum[16]则探究了脉动相对于混合动力与电动汽车中脉动气流对锂离子电池组热性能的影响研究。通过引入泵送功率指数、冷却指数、温差及最高温度等关键参数，该研究系统评估了电池间距、放电倍率、雷诺数及流动行为的影响机制。结果表明：脉动流在较高斯特劳哈尔数条件下可提升冷却效果，但会导致能耗上升。对比研究表明，较低斯特劳哈尔数虽能提高能效却削弱冷却性能，这突显了热管理系统（TMS）设计中功率需求与热平衡协调优化的必要性。Mehmandoosti与Kowsary[17]探究了脉动气流相较稳态流动对18650圆柱形锂离子电池热性能的作用机制。研究针对两种电池排布方式，重点考察了雷诺数、振荡幅度和斯特劳哈尔数这三个核心脉动流参数。结果表明，脉动流动能显著降低温差与最高温度，最佳降幅分别达到50%和27%。研究发现，热行为高度依赖于电池排列的几何构型。
Kirad与Chaudhari[18]采用数值方法研究了30节锂离子电池模块的强制风冷系统。分析表明横向间距对冷却效率具有显著影响，而纵向间距则影响温度均匀性。该研究为优化气流通道与电池间距以提升电池热管理（BTM）系统提供了设计依据。Afzal等[19]通过数值模拟研究了强制风冷条件下电池间距对锂离子电池热行为的影响，结果表明合理间距既能强化传热又能抑制温升过度。这些研究结果为优化电池模块设计以实现安全高效的TM提供了指导。Wang等人[20]的研究介绍了一种用于BTM的硅增强相变材料。研究表明，导热系数和最佳厚度显著改善了热调控性能，硅基相变材料系统在高放电倍率下可使模块温度降低达24°C。这些发现凸显了该方法在电池及储能应用中实现可靠高效热控制的潜力。Yan等人[21]提出了一种仿生冷设计，采用叶片脉状液体通道用于锂离子电池散热。实验验证与数值模拟表明，该结构相较于传统矩形通道能显著降低最高温度并提升传热效率。研究结果证实了仿生通道设计在提升电池热管理（BTM）方面的潜力。S. N. Masthan Vali P等人[22]探究了采用石蜡相变材料（PCM）与纳米相变材料冷却的六边形电池组和梯形电池组两种构型的热性能表现。研究针对1C、2C和3C三种不同放电倍率展开分析，结果表明采用纳米相变材料的六边形电池组在温度控制方面表现最优。P.S.N. Masthan Vali等人[23]通过实验研究了梯形结构电池组采用复合相变材料填充电池间隙的冷却方案。电池放电速率分别保持在1C、2C和3C倍率下，实验测试表明梯形结构具有更优的热性能，可将电池温度控制在45°C以内。G Murali等[24]对锂离子电池混合热管理技术进行了综述研究，重点关注性能提升参数。该研究主要讨论了复合相变材料与液体冷却的结合，其中纳米颗粒的添加可增强导热系数，从而进一步提高传热速率。本综述报告了相变材料质量、相变材料厚度、相变材料比热容、相变材料导热系数及电池单元排列等参数。
Kebaitse等人[25]提出了一种基于改进H型结构的增强型电池热管理系统(BTMS)，该设计采用三角形节距和锥形外壳。实验验证与计算流体力学(CFD)模拟表明，相较于传统设计，新构型能有效降低最高温度与平均温差，并提升散热性能。研究结果凸显了结构优化对改善电池冷却效能的关键作用。Luthfi等人[26]通过实验评估了电池排列方式、叶片数量和风扇转速对锂离子电池热行为的影响。结果表明，提高风扇转速能有效降低电池温度并改善温度均匀性，而叶片变化与交错排布主要增强了分布一致性。这些发现为优化电池热管理系统（BTMS）中的强制风冷策略提供了实用见解。Sasidharan与Datta[27]采用实验、数值模拟和解析方法分析了一种基于陶瓷材料的显热储能系统。采用蜂窝通道的刚玉莫来石区块以串联和并联排列方式进行测试，以评估其对流动行为与传热性能的影响。结果表明，串联构型虽以更高压力掉落为代价，但可实现更快的蓄放热速率，这为优化储热系统设计提供了重要依据。Patra等[28]评估了三种冷却板的流体与热性能：拓扑优化单出口板、传统直通道板及拓扑优化双出口板。数值模拟表明，双出口构型相较于其他设计具有更低的平均与最高温度、更小的压力掉落以及更优的温度均匀性。这些结果凸显了拓扑优化在提升电池冷却板性能方面的有效性。
根据上述文献综述可知，现有研究报道了多种主动与被动热管理方法，这些方法旨在优化电池模块及电池包的热性能[8][9][10][11][12][13][14][15]。而针对主要关注结构设计与电芯排列的研究，Li等人[12],Kirad与Chaudhari[18]以及Afzal等人[19]开展了实验与数值模拟研究。Li等学者[12]采用菱形、交错及矩形等多种电池排列构型，以考察电池模块的热行为及温度分布特征。然而上述研究大多未能解决平行宇宙电池模块在直线排列构型下变间距工况的数值模拟问题。现有文献甚至未报道锂离子电池系统的临界热工况参数——该参数对电池模块性能优化至关重要。本研究采用的轴向气流（平行于电池排列方向）与先前研究的横向气流工况存在显著差异，因此在电池排列方式、流道位置与数量以及流体流动条件等方面，本研究工作均区别于既有成果。在优先考虑上述所有关键运行条件的基础上，本研究论文旨在解决锂离子电池模块采用新型电池排列方式时伴随的这些关键问题。
本研究对一种锂离子电池模块进行了数值模拟，该模块采用直列式电池排列方式，具有可变间距设计，在强制对流与生热条件下运行。电池组外壳设有进气口与排气口以实现空气循环。研究工作分析了四种不同配置：案例1为单进气口-单排气口结构，案例2为单进气口-双排气口结构，案例3采用双进气口-单排气口结构，案例4则为双进气口-双排气口对称布局。模拟考虑了1C和2C两种电池放电速率，进气速度调节范围为1-4 m/s。采用基于二阶迎风格式的有限体积法求解流体流动与传热的控制方程，通过SIMPLE算法实现压力-速度耦合，并应用标准K-epsilon湍流模型捕捉空气湍流特性。
