霍克锂电池采用回流微通道结构冷却带的圆柱形动力电池模块热管理性能增强
若车辆锂离子电池在放电过程中产生的热量未能被及时排出，将引发热失控，危及驾乘人员安全。由于锂离子电池对工作温度（20至40°C范围）存在严格要求，且最大允许温差不得超过5°C，高效的热管理对其安全性能与使用寿命具有决定性作用。本研究以圆柱形动力电池模组为对象，提出一种带有回流微通道结构的冷却带（CS-RMS），系统探究了冷却带布局形式与结构参数对电池热管理性能的影响。研究发现：回流式冷却带的数量对电池散热能力具有显著影响，冷却带数量过多或过少均不利于热管理系统的优化。方案3采用三冷却条设计，其温度最大值呈现较低水平（) 以及温差最大值（Δmax）与方案2（单冷却条带）相当，同时其压降（Δ）显著降低。努塞尔数（maxNu）与性能因子pf输出： ) 同样表明方案3具有更优异的热工水力性能。此外，研究还考虑了冷却条前进通道高度对散热系统性能的影响，结果表明前进通道与回流通道的更均匀排布更有利于提升电池热管理系统（BTMS）的性能。最终通过正交试验对BTMS进行优化，确定最优参数组合为H具有卓越散热性能的温度为301.50K且Δ4.98 K 的低温与 Δ 557.84 Pa 的低压降3557.84 Pa 的低压降2T1 with excellent heat dissipation performance with Tmax of 301.50 K and ΔTmax of 4.98 K and low pressure drop with ΔP of 557.84 Pa.
引言
新能源汽车(NEVs)的发展是构建低碳社会的关键环节之一，对人类健康可持续发展至关重要[[1], [2], [3], [4], [5]]。作为新能源汽车的核心部件，热管理系统对电池寿命与乘员安全具有决定性影响。锂离子电池在放电过程中会产生大量热量[6,7]。当热量积累速率超过热管理系统的散热阈值时，电池内部温度将急剧上升，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为20-40°C，且最大允许温差要求热管理系统必须将温差控制在5°C以内[10,11]。一旦超过该范围，锂离子电池在运行过程中容易发生热失控现象，这对车内人员安全构成致命威胁[12,13]。因此，有效的电池热管理技术不仅能提升电池运行效率，还能延长其使用寿命并提高运行安全性。
动力电池热管理技术主要采用空气冷却、液体冷却、相变冷却和热管冷却四种方式。这些方法在散热原理、散热效率及成本方面存在显著差异。以空气冷却为例，该技术以气体为散热介质，传热效率较低，因此不适用于车载动力电池系统[14,15]。热管冷却技术通过管内高汽化性工质材料的相变传递热能，其散热功率相对较低[16,17]。相变冷却技术利用相变材料（PCMs）在相变过程中恒温吸热的特性来调节电池温度，可实现快速热传导以平衡单体电池间的温差，较适用于混合热管理系统[18]。液态冷却因其高比热容及流体高效移除热量的特性，已成为当前应用最广泛的散热方式[19]。液态冷却分为直接冷却与间接冷却两类。直接冷却虽具备较高的散热效率，但对动力电池的密封性能及配套热管理系统提出了严格要求[20]。尽管间接冷却的散热效率低于直接冷却，但其在工艺要求相对较低与散热性能较佳之间实现了平衡，因而成为当前电动汽车中最常用的散热方案[21]。
动力电池液冷散热系统的创新设计与性能优化是当前研究热点。相关研究主要聚焦于三个方向：(1) 新型散热结构设计；(2) 结构参数与运行参数影响分析；(3) BTMS性能提升。
在创新散热结构设计与性能分析领域，研究者已提出多种基于多性向集成或仿生设计的新型热管理结构[[22], [23], [24], [25], [26]]。Toygun等[22]开发了一种耦合波浪形微通道与复合相变材料的新型混合BTMS。研究表明在1.0-2.0 L/min流量范围内−1流速变化对电池表面温度无显著影响。Zhou等[23]设计了一种新型仿生血管通道液冷板，对比结果表明：相较于V型通道，该仿血管生物液体冷却片的温度降低了3.14°C。与蛇形通道相比，其冷却水泵功率减少了0.088W。詹等人[24]开发了一种具有仿生叶脉结构的散热通道。实验结果表明，采用BCTP模式的散热结构展现出更优异的整体散热性能。这些研究还表明max与OCP结构相比，其温度降低了0.71°C，同时热均匀性提升了29%。Rishav等人[25]构建了一种结合相变材料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%，且电芯平均温度与外表面温差均显著降低。Xu等[26]针对圆柱电池设计了一种新型扳手式散热结构。观察到冷板上游与下游部分连接处增强的冷却能力抑制了电池温度的单调上升趋势。Tmax decreases by 0.71 °C compared with the OCP structure, while the thermal uniformity is improved by 29%. Rishav et al. [25] constructed a hybrid thermal management system combining PCMs with ion wind. The heat dissipation coefficient of this system is 260% higher than that under natural convection conditions, and both the average battery temperature and the temperature difference on the battery outer surface are significantly reduced. Xu et al. [26] devised a new wrench-shaped heat dissipation structure for cylindrical batteries. It was observed that enhanced cooling capacity at the juncture between the upstream and downstream parts within the cold plate inhibits the monotonic upward trend of battery temperature.
此外，研究人员近年来对圆柱形锂离子电池模块的结构设计开展了广泛研究[[27], [28], [29], [30]]。Birinci等[27]提出了6S6P构型电池模块配置，其流道形式与传统蛇形流道类似。他们系统分析了流道高度、冷却液流速及放电倍率对模块热管理性能的影响。Esmaeili等[28]设计了一种扭带结构。通过采用非均匀扭带排布方案，该模块的温度均匀性得到有效改善，最小Δ达11.25K。此外，Dong等[29]提出了一种用于圆柱形锂离子电池的新型双螺旋结构，可显著提升单体电池的散热性能。但该结构存在寄生功耗较高的问题，温度均匀性仍有改进空间。Wu等[30]设计了多组平行流道，系统研究了平行流道流向排布方式对电池模组散热性能的影响。结果表明，逆流布置方式更有利于提升模组的温度均匀性。如上文所述，现有大多数结构设计未能充分结合电池模组的温度分布特性，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。max of 11.25 K. In addition, Dong et al. [29] proposed a novel double-helix structure for cylindrical lithium-ion batteries, which could significantly enhance the heat dissipation performance of single cells. However, this structure suffers from relatively high parasitic power, with temperature uniformity still having room for improvement. Wu et al. [30] designed multiple parallel flow channels and systematically investigated the effects of flow direction arrangement of the parallel channels on the heat dissipation performance of the battery module. The results showed that the counter flow arrangement is more conducive to improving the temperature uniformity of the module. As discussed above, most existing structural designs have failed to fully integrate the temperature distribution characteristics of battery modules, making it difficult to achieve the synergistic optimization of heat dissipation performance, temperature uniformity, and low parasitic power.
散热系统的结构与运行参数对其散热性能具有显著影响，是动力电池热管理系统(BTMS)设计与优化的核心研究内容[[31], [32], [33], [34], [35], [36], [37]]。Khoshvaght-Aliabadi等学者[31,32]研究发现，采用sCO2该冷却剂展现出显著优势。它不仅通过省去冷却剂温度回收系统降低了系统复杂度和成本，还能确保电池模组的精确温控和优异温度均匀性。Bai等[33]分析了流速与管径对散热性能的影响，结果表明热管理系统的关键散热性能指标(, Δmax)主要受流速影响，而Δ主要受管道直径调控。李等人[34]通过调节进气量开展对比实验，发现双面进气结构的性能显著优于单面进气结构。此外，其Δmax正交试验设计分别降低38%和2.5°C。Zare等人[35]提出了一种开创性的内外翅片组合设计，通过调节翅片数量，发现采用4组内外翅片的BTMS相较于无翅片相变材料冷却系统，电池表面温度分别降低9.90K和17.45K。Ren等人[36]提出了一种变冷却液流速冷却策略，该策略能在保证同等或更优冷却性能的同时，有效降低BTMS中的冷却液消耗量和水泵功耗。Almaasfa等人[37]研究了散热片厚度的影响。当厚度从0.5mm增加至4mm时，电池表面温度显著下降，在3C放电倍率下相当于降低了40.9%。 is notably governed by pipe diameter. Li et al. [34] conducted comparative experiments by adjusting the air inlet quantity, and discovered that the double-sided air inlet structure outperforms the single-sided air inlet structure significantly in terms of performance. In addition, its ΔTmax and Tmax decrease by 38% and 2.5 °C, respectively. Zare et al. [35] introduced a groundbreaking combined design of internal and external fins, and by adjusting the number of fins, they found that the BTMS incorporating 4 groups of internal-external fins reduces the battery surface temperature by 9.90 K and 17.45 K, respectively, in comparison with the fin-devoid PCM cooling system. Ren et al. [36] put forward a variable coolant flow rate cooling strategy, which enables the effective reduction of coolant consumption and water-pump power draw in the BTMS, while securing equivalent or even superior cooling performance. Almaasfa et al. [37] studied the influence of heat sink thickness. With the thickness increased from 0.5 mm to 4 mm, the battery surface temperature exhibits a substantial decrease, which translates to a 40.9% decrease under the 3C discharge rate.
电池热管理系统（BTMS）的优化是进一步提升热管理性能的关键[[38], [39], [40], [41]]。Pan等[38]采用粒子群优化（PSO）算法对系统控制参数进行优化，研究表明分阶段控制冷却液流量的策略能有效降低系统能耗，同时确保电池温差符合要求标准。Wang等[39]利用多目标遗传算法（MOGA）对蛇形通道参数和水流速率进行优化。优化结果表明，电池模块的温度均匀性得到显著改善，最大压力降低了13.28%。Sutheesh等[40]基于多目标遗传算法对仿生流道进行优化，发现Δ和Δmax鱼骨形流道设计的这两项参数均显著降低。Xu等[41]采用正交试验设计方法研究了分流板结构参数对散热性能的影响。研究结果表明：随着分流板数量的增加，单体电池间的平均温差呈现逐渐减小趋势；同时，分流板的偏转角度及其对应长度对电池模组的热均衡性能具有重要影响。P of the fishbone-shaped flow channel design were both significantly reduced. Xu et al. [41] employed the orthogonal experimental design method to examine how shunt plate structural parameters affect heat dissipation performance. The findings indicated that in the context of an increase in the quantity of shunt plates, the average temperature difference among individual battery cells exhibited a gradual decrease. Meanwhile, the deflection angle of the shunt plates and their corresponding length exerted a substantial impact on the thermal balance performance of the battery module.
综上所述，现有研究主要聚焦于结构创新、影响因素探讨及性能优化分析。其核心思路在于通过提升冷却系统的局部或整体传热效率，以实现更优的散热性能。然而，针对电池模组整体温度分布特征的研究仍较为匮乏。值得注意的是，未充分考虑电池模组温度分布特征而开发的散热系统，往往难以实现优异的热-流体性能。因此，前期研究表明：电池模组腰线区域温度相对较高，且单流道下游电池的温度亦呈现上升趋势。
因此，本研究创新性地利用电池模块温度分布特性，提出一种带有回流微通道结构的冷却带（CS-RMS）。该结构的创新性在于：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（分布于电池模块顶部和底部）能够平衡正向流道中冷却剂上下游的温差。具体而言，通过将低温冷却剂引导至模块高温区域以实现更强的散热能力（降低最高温度），同时将高温冷却剂引导至模块低温区域以获得更佳的热均匀性。由于冷却带流出与回流区域的热耗散面积直接决定了模块高低温区的散热能力，本研究进一步探究了流出区域和CS-RMS对其热耗散性能的影响规律。最终采用正交实验法对BTMS进行优化，综合考虑了三个关键因素：流道入口高度、冷却剂入口温度及冷却剂流速。本研究为圆柱形电池模块热管理系统的设计与优化提供了新的技术认知与理论指导。
