霍克锂电池空气冷却对电动车辆圆柱形锂离子电池组热工水力性能的影响
摘要
所有电动汽车都应配备有效的电池热管理系统，因为高温会对电池性能、可靠性与使用寿命产生负面影响。本研究通过空气冷却技术对圆柱形锂离子电池组的热管理行为进行研究，该方法对电动和混合动力汽车的性能与安全至关重要。通过实验研究评估了不同运行条件下的冷却效果。电池模块封装于特制亚克力外壳内，由圆柱形18650锂离子电芯以7×2对齐矩阵排列构成（共计14个电芯）。该电池模型后续被几何尺寸相同、功率为150W的加热筒替代。研究涵盖了宽泛的工况参数，包括进气温度、雷诺数（Re）、热通量及发热功率。实验结果表明：当进气温度为20°C、雷诺数（Re）达4700时，系统可获得最佳冷却性能。随着能耗上升，冷却性能系数显著降低。在雷诺数为988时，最大性能系数达到170。此外，圆柱形电池模块在热工水力强化因子（THEF）方面的最佳性能出现在低入口空气温度条件下，对应的雷诺数分别为3700和4700。研究结果表明，强制风冷技术在不同工况条件下始终是一种有效的热管理手段，能够确保电池性能的稳定性和安全性。
引言
空气冷却技术通过提升有效温度管理及散热性能，显著增强了混合动力与电动汽车圆柱形锂离子电池组的热可靠性。大量研究表明，高效的空气冷却技术能够降低电池组最高温度并减小单体电芯间温差，从而延长电池寿命并提高安全性。在高效电池热管理系统（BTMS）中，需重点研究空气流速、进气温度等多种参数。与其他（参数）配置方案相比，压缩进气冷却技术可显著降低最高温升幅度[1]。%%锂离子电池（LIBs）在工作过程中会产生大量热量，尤其是在电动汽车等高功率应用场景下。有效的热管理系统对于维持-50至60°C的最佳工作温度区间、防止热失控、确保温度分布均匀性以及延长电池寿命具有决定性作用[2]。%%尽管空气冷却系统结构简单且成本低廉，但对于大型电池组而言，其冷却效果可能逊色于液态冷却系统。后者虽然能提供更优异的热管理性能，但系统复杂度与成本也相应提高[3,4]。%%凭借高能量密度、轻量化结构及卓越的循环能力，锂离子电池（LIBs）目前已广泛应用于电动汽车及其他现代电子设备领域[5]。
锂离子电池的圆柱形电芯是一种可调节的标准型可充电电源，具有典型的管状结构。此类电池广泛应用于电动汽车、便携式电子设备等多种领域。其核心元件为称为"果冻卷"的卷绕组件，由正极、负极、隔膜以及两个集流体构成的单元层组成。18650[6]与21700[7]等标准规格的行业规范，充分印证了圆柱形锂离子电池技术已获得广泛认可并具备高度可靠性。
由于其诸多优势，包括结构设计简单、成本低廉、重量轻、维护方便、使用寿命长、单体电池更换便捷以及在低放电率下功耗较小，空气冷却成为电池储热系统中最广泛应用的散热方式之一。在空气冷却技术中，通过增设散热鳍片或其他散热组件，可扩大电池暴露于环境空气的有效表面积。当气流流经这些结构时，热量从电池表面被带走，从而避免过热现象的发生。为主动提升空气流通与冷却效率，可额外加装风扇等部件。因此，众多研究致力于探究从单体电池到电池包等不同规模锂离子电池（LiBs）的风冷系统，其中风冷系统的结构优化以改善气流分布一直是研究难点之一。目前市场上有多种不同结构的锂离子电池，包括圆柱形[8]、方形[9]和软包[10]等设计。Yang等学者[8]针对采用蜂窝结构的圆柱形锂离子电池模块，专门研究了其风冷电池热管理系统的热特性。他们开发了具有蜂窝结构的锂离子电池模块，并通过设计气流分配板来提升电池模块的温度均匀性。Zhou等人[11]则重点研究了孔径大小、孔排列行数及进气压力等因素对系统性能的影响。研究结果表明，通过增大孔口宽度与增加排列行数可有效降低最高温度并改善温度均匀性。此外，调整电池模块的构型也具有重要价值。Wang等[12]通过对比矩形、六边形及圆形等多种单体排列构型，系统评估了电池模块的热效率特性。Kummitha [13]提出了一种方案，用于降低电池单体在实现电池单元内稳态温度分布时可能接触的温度上限。在保持相同物理参数与边界条件的前提下，研究者对基础型和创新型电池单元进行了不同放电工况下的评估。热电（TEC）风冷装置可用于冷却18650型锂离子电池组。如Sirikasemsuk等[14]所述，TEC模块能将电池温度降至40°C以下。Yang等[15]设计了一种具有仿生表面结构的创新型散热器。该电池模块由电芯、壁面、风扇、散热器及绝缘框架构成。研究结果表明，所提出的散热器厚度与仿生表面结构高度能显著降低电芯间的最高温度值及温度波动。
风冷系统的性能受空气质量流量与流道设计的显著影响[16]。针对交错排列的电池组，Lu等[17]建立了热阻解析模型与三维数值模型，研究发现综合考虑峰值温度、空间利用率及能效等变量后，18650锂离子电池的最佳冷却流道尺寸为1毫米。为提升温度均匀性，Ji等[18]开发了采用特殊单体分布技术的圆柱形锂离子电池模块。研究表明，起始间距较大的布局与等差比例配置会延长位置变化时间。当热界面材料等组件采用高导热系数材料制成时，其传热与散热性能将显著提升。Kausthubharam等学者[19]提出了一种采用商用热界面材料的电池热管理系统，并将其与传统电池包在不同放电速率下进行对比测试。相较于常规构型，该方案实现了最高温度25%的显著掉落。热界面材料被Lee等人[20]应用于21700锂离子电池模块中。然而，他们的研究表明，电池模块整体温度均匀性受热界面材料平行热导率的显著影响。相比之下，电池最高温度与垂直热导率的相关性更强。逆向流动作为一种提升冷却系统性能的新方法出现，尤其在不同热边界条件下最小化电池单体间温差方面表现突出。根据文献[21]报道，在即时和时均两种工况下，较短的往复流动周期与更低的电池单体温差及更低的最大单体温度具有关联性。
工程师与研究人员正致力于运用高阶工程与设计方法，提升风冷式锂离子电池系统的气流机制、冷却装置及整体热管理设计。该研究涵盖优化换热器设计、开发智能温控系统以及探索新型冷却材料。如文献[[22], [23], [24], [25]]所述，其目标是通过实现电池组内稳定的温度分布，从而减小热梯度并防止局部过热现象。表1综述了现有关于电池热管理系统(BTMS)的文献。尽管风冷式锂离子电池系统已被广泛应用，但其仍存在若干局限性。一个重要制约因素是其冷却能力有限，特别是在散热至关重要的高功率应用场景中。极端环境条件可能降低这些设备的有效性，因其易受外界温度影响。由于依赖空气冷却，电池组内部温度分布不均可能导致热点产生，从而影响整体性能。当前基于风冷系统提升18650型锂离子电池性能的研究可分为两类：(1)评估入口质量流量与风速的气流特性；(2)考察电池工况参数，包括不同电池负载与环境气温。本研究采用150W功率的筒式加热器（直径D=18mm，长度L=65mm）替代18650锂离子电池模型，以精确模拟电池内部产热率。该技术实际采用具有相同几何特征的圆柱形加热器，能精准模拟产热过程。实验研究了不同风速、环境温度及电池负载（即产热量）的宽范围工况。
