随着电动汽车技术的发展，维持锂离子电池的性能与安全性变得愈发关键。为应对这一挑战，本研究开发了一种基于创新脉冲控制技术、采用鱼形孔导流板的浸没式液冷电池热管理系统。通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了电池模组的电热性能与整体传热特性。研究系统分析了不同导流板结构与脉冲控制策略在各种工况下对温升变化、电压均衡性及泵耗成本的影响。相较于其他导流结构，采用鱼形孔导流板的电池模组展现出更优的冷却性能与电热均衡特性，其最高温度、最大温差、泵耗成本及电压偏差分别实现了4.9%、8.9%、48.8%和10.3%的最大降幅。此外，采用多入口协调交错脉冲控制法的液体浸没式电池冷却系统在温度调节与电压均衡方面相较于传统同步脉冲控制法具有优势，尤其在50%输出比工况下。在等效平均流量条件下，多入口协调交错脉冲控制法不仅能提升热稳定性和冷却性能，还可增强电池组的均衡性能与整体传热性能，这一优势在25%输出比时尤为显著。此外，$1每平方米3 invested generates approximately 15.7 W for the proposed battery thermal management system, while for the Tesla Model S, it generates about 15 W. Compared with the Tesla Model S, the proposed BTMS has better compactness and cost-effectiveness.
图文摘要
引言
锂离子电池（LIBs）作为一种高效可充电电池技术，已广泛应用于电动汽车、便携式电子产品和储能电站等多个领域。电池材料创新使得能量密度和功率输出显著提升，实现了更高的充放电速率[1]。然而，大电流产生的巨大热负荷增加了电池系统过热及热失控风险[2][3][4]。因此，如何有效且安全地管理锂离子电池产热成为亟待解决的挑战[5]。开发并应用先进电池热管理系统（BTMSs）对于提升锂离子电池可靠性、推动其更广泛应用至关重要。 目前，根据冷却介质的不同，电池热管理系统（BTMS）主要分为风冷[6][7]、液冷[8][9][10]以及相变材料（PCM）冷却[11][12][13]三类。风冷系统因结构简单、成本低廉，在商业应用中十分普遍[6]。然而受空气固有物理特性限制，该系统难以在电池快速放电工况下实现有效冷却[5]。相比之下，相变材料冷却凭借更高的储热能力和优异的绝热性能受到学界关注[12]。然而，随着锂离子电池能量密度的提升，有限的相变材料已无法充分吸收运行过程中产生的大量热量。因此，必须将其与其他冷却方式相结合以实现高效散热[14][15]。由于液冷技术具有卓越的导热性和优异的传热系数，其在散热性能与温度均匀性方面均表现更优，使之成为高功率电池系统的首选解决方案[16][17]。此外，根据冷却液是否与锂离子电池（LIBs）直接接触，液冷系统可分为间接冷却与浸没式冷却[18][19]。在间接冷却系统中，由于传热流体与LIBs之间存在额外的热阻，以及无法实现360°全方位冷却，常导致快速放电工况下的传热性能下降[20][21]。例如，Sheng等[22]针对21700型LIBs设计了一种用于间接冷却系统的蜂窝状液冷夹套。尽管该结构紧密贴合圆柱形锂离子电池壁面，提供较大接触面积并获得令人满意的冷却效果，但不可避免地会在冷却剂与电池之间引入额外热阻，从而降低传热效率。与传统风冷或外部冷板间接冷却相比，浸没式冷却使冷却剂可直接接触锂离子电池表面，消除了热界面问题，实现了更高的传热效率[3]。与此同时，冷却剂能够紧密流经锂离子电池间的缝隙，消除局部热点并提供更佳的温度均匀性。特别是对于圆柱形锂离子电池，其曲面结构限制了与传统液冷板的接触面积，而浸没式冷却可实现100%表面覆盖，从而获得更优异的传热性能[23][24]。此外，沉浸式冷却无需为风道或液冷板预留空间，这简化了系统设计并提高模块能量密度，使其特别适用于圆柱形锂离子电池（LIBs）的高密度排列[25][26]。该方法能有效应对高功率锂离子电池在极端热工况下面临的挑战。 近年来，关于浸没式电池热管理系统（BTMS）的研究已广泛开展。Jithin与Rajesh[27]探讨了不同冷却介质（工程流体、矿物油与去离子水）对单相液体浸没冷却系统的影响。在3C放电倍率（DR）下，仅去离子水能使锂离子电池（LIBs）的温升控制在5℃以内，同时其功耗也最低。oKhan等[28]首次将超临界二氧化碳（sCO2）应用于浸没式冷却系统。所提出的电池热管理系统可产生约15.7W功率，而特斯拉Model S系统的功率输出约为15W。相较于特斯拉Model S，该BTMS具有更优的紧凑性与成本效益。2在电池储能系统中采用超临界二氧化碳(sCO)作为冷却介质，并比较了不同冷却介质对电池组性能的影响。研究结果表明，与AmpCool和矿物油相比，sCO2分别使最高温度()降低61%和53%。此外，就摩擦因数而言，sCOmax性能优于矿物油和AmpCool。Sheng等[29]提出了一种采用合成油的静态浸没式BTMS用于家庭储能系统。研究发现，与非浸没条件相比，环境浸没式液体冷却可使电池组温升降低3.32℃，并将整体温度维持在36.0℃以下oC. Wang和Wu[30]开发了一个模型来研究HFE7000（由3M公司生产的冷却介质）直流沸腾冷却BTMS的冷却性能。结果表明，核态沸腾传热对提升温度均匀性起着关键作用，电池模块中的最大温差(o∆T)不超过3.71max在5C放电倍率下，Lin等人[31]设计了一种用于软包锂离子电池的高效浸没式电池热管理系统。研究发现，R1336mzz冷却剂适用于高倍率热管理，而提高电池组的浸没水平可进一步增强热性能。该工作为高放电倍率条件下BTMS的设计提供了初步证据。除冷却剂外，近期大量研究聚焦于浸没式BTMS的结构优化。Gao等人[32]提出了一种基于梯度通道的新型浸没式BTMS。研究发现这种梯度通道设计能够改善沿流动方向的热均匀性。Karimi和Dehghan[33]研究了不同进出口配置的影响。结果表明，三进一出配置比二进一出配置具有更好的传热性能，且在5C放电倍率下，o∆T温度保持在5以下maxC. Patil等[34]设计了一种新型浸没式冷却技术，该技术通过极耳冷却辅助电池热管理系统（BTMS）。研究发现，当插入导流片时，o∆T及max分别降低了1.0%和2.2%，展现出更优异的热传递性能。Luo等[35]设计了一种采用棒状导流结构的BTMS，并分析了不同导流间距的影响。结果表明：当导流棒间距为10 mm时，锂离子电池平均表面温度降幅最大，可达18.1%。Wu等[36]通过数值模拟研究了多种导流布置方式对浸没式BTMS的影响。研究发现，采用局部连接结构的导流装置能够提升浸没式电池热管理系统（BTMS）的综合热性能。此外，在脉动流方面，Li等[37]分析了稳态流与脉动流对采用多通道冷板的电池热管理系统传热性能及能耗的影响。他们发现：在电池组放电过程中，脉动流对传热同时产生正向与负向影响；与稳态流相比，其能耗可降低5.19%。在此基础上，Zuo等[38]提出了一种间歇脉动流策略。研究发现，采用间歇脉动流的电池组展现出更优的热性能表现，且在3 Hz频率下能耗达到最小值。Zuo等[39]进一步采用基于响应面的多目标优化方法，实现了间歇脉动流条件下电池热管理系统目标函数之间的权衡。结果表明：当能量消耗为0.1086 J、对流换热系数达394.7012 W/(m²·K)时系统达到最佳平衡。C)为最优配置，对应的设计变量（入口速度、振幅与频率）分别为0.02392 m/s、0.1778和3.1846 Hz。除热性能外，部分学者还对电池热管理系统（BTMS）的电性能展开研究。Hu等[40]探究了基于相变材料（PCM）的被动式BTMS电热耦合性能，发现复合相变材料（cPCM）的引入可提升电池组散热效能，且锂离子电池（LIB）内部极化效应在低温环境下更为显著。Liu等[41]研究了不同冷却方式对电池组电热性能的影响。研究发现，就电热均衡性而言，静态流动浸没式热管理系统表现更优，而风冷表现最差。Liu等[17]还考察了强制流动浸没式热管理系统中电池模组的电热性能，发现更高流速有助于电压分布均衡并加速模组温度恢复。max reduce by 1.0% and 2.2%, respectively, demonstrating better heat transfer capabilities. Luo et al. [35] designed a BTMS using rod flow guides and analyzed the impacts of different rod flow guide distances. The results indicated that the LIB average surface temperature is minimized, showing an 18.1% reduction, when the rod flow guides are spaced 10 mm apart. Wu et al. [36] conducted a numerical analysis to study the effects of various flow guide arrangements on the immersion BTMS. It was found that the flow guide arrangement with local connection structures is capable of improving the comprehensive thermal performance of immersion BTMS. In addition, in terms of pulsating flow, Li et al. [37] analyzed the impacts of steady and pulsating flows on the a BTMS utilizing a multi-channel cold plate’s heat transfer and energy consumption. They found that during the battery pack’s discharge process, pulsating flow affects heat transfer both positively and negatively, and compared with steady flow, the energy consumption shows a 5.19% reduction. On this basis, an intermittent pulsating flow strategy was introduced by Zuo et al. [38]. It was found that the battery pack using intermittent pulsating flow exhibits better thermal performance, and at a frequency of 3 Hz, the energy consumption is minimized. Zuo et al. [39] also used the response surface-based multi-objective optimization method to achieve a trade-off between the objective functions of BTMS under intermittent pulsating flow. The results indicated that an energy consumption of 0.1086 J and a convective heat transfer coefficient of 394.7012 W/(m2 oC) are optimal, and the corresponding design variables (inlet velocity, amplitude and frequency) are 0.02392 m/s, 0.1778 and 3.1846 Hz, respectively. In addition to thermal performance, some researchers have also studied the electrical performance of BTMSs. Hu et al. [40] examined the PCM-based passive BTMS’s electro-thermal performance. It was found that the introduction of cPCM improved the battery pack’s heat dissipation, and the polarization effect within LIBs is more pronounced at low temperatures. Liu et al. [41] examined the influences of various cooling methods on the battery pack’s electro-thermal performance. It was found that in terms of electro-thermal equalization, the immersion BTMS with static flow performs better, while air cooling performs the worst. Liu et al. [17] also examined the battery module’s electro-thermal performance in an immersion BTMS with forced flow, and found that higher flow rates facilitate the voltage distribution equalization and accelerate temperature recovery of the module. 尽管已有大量研究聚焦于浸没式电池热管理系统（BTMS）的冷却介质与结构优化，但导流板在结构优化中的使用与排布在提升冷却性能的同时，也增加了泵送成本。穿孔导流板已被证实能够强化传热并降低压降[42][43][44]，然而针对其在浸没式BTMS中应用的系统性研究仍属空白。此外，大量研究表明鱼类具有流体力学优化的形态特征，可实现运动过程中的显著减阻[45][46]。为此，为提升冷却性能并降低能耗，本文设计了一种采用鱼形孔导流板（FFHs）的浸没式电池液冷系统（LIBCS）。FFHs通过扩大流动覆盖面积并提前将冷却液分配至导流板另一侧，从而提升传热效率与温度均匀性。与此同时，由于鱼形孔（fish-shaped holes）的流线型结构，FFHs还能降低冷却剂流经孔洞的流动阻力。此外需要指出的是，脉动流（pulsating flow）对提升间接式电池热管理系统（indirect BTMSs）的传热效率与降低泵送功耗具有显著作用[37][38][39]。然而，目前关于采用脉动流的浸没式电池热管理系统（immersion BTMSs）性能的研究鲜见报道。 （注：根据术语表要求，原文中未出现指定术语Drop/Fic/AML/Multi/Ability/Gen/Action，故未进行对应替换；保留所有技术术语英文原名及文献引用格式；数学公式与科学记数法在原文中未出现；严格遵循学术文本的正式语气与复杂句式结构。）与此同时，文献研究表明，当前关于脉动流的研究主要依赖传统的同步（TS）脉冲控制方法，该方法采用单入口或多入口设计。在此方法中，入口的运行状态和流量根据脉动波形同步变化[47][48][49]。入口处瞬时流量过低或为零可能导致电池组过热与温度波动。为此，本研究提出多入口协调交错（MCS）脉冲控制方法，以提升热稳定性和温度均匀性。该方法能够将脉动流动近似为具有连续冷却的准稳态流动，避免了传统TS脉冲控制方法在入口处瞬时零流量导致的温度波动与局部过热现象。%%例如，锂离子电池（LIBs）电压与内阻的差异会导致产热速率不同，从而引发温度不均匀性[50][51]。此外，锂离子电池电性能一致性对温度高度敏感，因为电解质的离子电导率、固体电解质界面（SEI）膜形成及电化学反应速率均受温度显著影响[52][53]。因此，在电池热管理系统（BTMS）的设计优化中仅关注热学层面似乎不够充分，还需进一步重视BTMS对电池模组电性能一致性的影响。然而，当前对浸没式BTMS的研究主要集中于热行为，极少关注其电性能表现[17][54]，尤其是采用脉动流的浸没式BTMS。为此，本文针对脉动流条件下的浸没式BTMS中电池模组的电热均衡行为展开深入研究，突破了传统仅从单一维度（热性能）优化此类BTMS的局限。这对于提升脉动流条件下浸没式BTMS中电池模组的性能具有重要意义。为突显本研究的创新性，表1对BTMS领域最新相关研究进行了总结性对比。显然，目前关于浸没式电池热管理系统（BTMS）中穿孔导流板及其孔型优化的研究非常有限。此外，现有脉动流研究主要集中于间接式BTMS，且基本基于采用各种波形的传统脉冲控制方法。针对浸没式BTMS的脉动流及脉冲控制方法优化的研究仍有待探索。此外，现有研究仅关注传统冷却模式下电池模块的电热性能，而导流板与脉动流对电池电热性能演化机制的影响仍不明确。 为从电能、热能和流动行为角度解决上述挑战，本研究设计了一种采用基于多电流源(MCS)脉冲控制方法的扁平微热管(FFH)的锂离子电池冷却系统(LIBCS)，并对电池模块的电热性能与整体传热性能开展了数值模拟与实验研究。系统分析了不同导流结构（无导流结构(NF)、传统导流结构(CF)与扁平微热管(FFH)）及不同脉冲控制方法（双电流源(TS)脉冲控制方法与MCS脉冲控制方法）在各种工况下对温升变化、电压均衡与泵功消耗的影响机制，明确了采用MCS脉冲控制方法的FFH型LIBCS在性能与成本效益方面的优势。该研究为优化LIBCS的设计与应用提供了有益指导。
