霍克锂电池仿生涡流发生器对大容量储能电池热管理的影响
锂离子电池目前广泛应用于各类储能场景，其中空气冷却方法因其经济性和可靠性能已成为主流方案。在被动式热强化策略中，涡流发生器凭借其提升传热效率的能力脱颖而出，同时能保持结构完整性并确保空气动力阻力最小化。本研究受海豚嘴部形态启发，提出一种仿生涡流发生器设计，适用于大容量储能电池风冷系统的热管理。通过实验测量与数值模拟相结合的方法，系统探究了涡流发生器的数量、间距及错列排布方式对电池组热性能的影响。研究结果证实，如气流通道内努塞尔数升高所示，涡流发生器的引入能有效提升对流散热效率。将涡流发生器数量从1个增至6个对系统性能产生可量化影响，Nu/Nu0与未配置此类结构的基准流道相比，该比率提升了7.7%至24.2%。就电池包整体而言，平均温度最高降低1.3 K，同时最高温度与最大温差分别下降达1.6 K和1.9 K。通过优化涡流发生器间距，可实现热能在电池包内更高效的扩散，尤其针对后部区域易出现高温聚集的现象。在压降条件相近的情况下，Nu/Nu0该比例最大可提升26.9%。此外，采用涡流发生器交错排列方式有助于最小化下游低速区域的形成，从而提升气流均匀性。在此配置下，电池模块整体平均温度最多可下降2.2K，最高单体电池温度降幅可达2.7K。随着交错排列偏移量从0mm增大至40mm，Nu/Nu0改善幅度显著提升——从26.9%增至62.1%。为评估整体热性能，综合传热因子经分析发现其最优峰值为1.28，这表明该结构在热调节方面的优势足以抵消流阻增加带来的负面影响。最后，通过与传统涡流发生器的对比分析，验证了仿生涡流发生器的优越性及其在所提出热管理系统中的适应性。本研究为改进大容量储能应用中的空冷电池热管理提供了一条有效且可扩展的设计路径。 is examined, with an optimal peak value of 1.28. This indicates that the advantages in thermal regulation outweigh any drawbacks associated with increased flow resistance. Finally, through a comparative analysis with traditional vortex generators, the superiority of the bio-inspired vortex generator and its adaptability to the proposed thermal management system were demonstrated. The study presents an effective and scalable design pathway for improving air-cooled battery thermal management in large-capacity energy storage applications.
引言
随着气候模式转变和环境问题引发全球关注，可持续能源的开发与应用正变得日益关键。在可再生能源发电并行发展的背景下，对具备高容量存储与高功率输出能力的储能系统需求持续攀升[1]。当前锂离子电池正朝着更高能量密度、更优性能表现和更紧凑结构的方向发展[2]，这使其成为现代储能解决方案的核心组件[3]。然而在此类严苛运行条件下，储能系统内部的过热与热失控风险显著加剧[4]。鉴于电池内部储存的巨大能量，过热事件可能升级为包括火灾或爆炸在内的灾难性后果。因此，发展更高效且本质安全的热管理技术已成为迫切需求[5]。为确保锂离子电池发挥最佳性能，其工作温度需维持在20°C至40°C范围内，且单体间温差不得超过5°C[6]。因此，构建稳健可靠的热管理策略对于保障储能系统长期运行的可靠性与安全性至关重要[7]。
目前，电池热管理系统通常分为三类：主动式、被动式及混合式配置[8]。主动热管理系统主要采用空气冷却[9]与液体冷却系统[10]等方法。相比之下，被动冷却系统依赖于相变材料[11]和热管冷却系统[12]等技术。混合冷却系统，顾名思义，通过整合多种冷却方式，兼具主动与被动方法的优势[13]。
在商业应用中，基于空气的冷却方案因其经济性和运行可靠性而被广泛采用[14]。大量研究对空冷电池热管理进行了系统考察，证实了其效能与实用优势[15]。Hasan等人提出了一种创新型空气热管理系统，该系统通过在不同冷却剂流量工况下降低温度来提升冷却效率。研究结果表明电池组的平均温度降低了5.6–7.6℃。8%，这一突破解决了空冷热管理系统领域的关键研究空白[16]。杨氏团队提出了一种采用双进风口设计的Y型空冷热管理系统，较传统T型结构实现显著提升。通过精确调控进风口位置与高度参数，该系统相较于传统模型实现了峰值温度波动降低43.7%的突破。后续优化进一步使最高温度降低2.44%，并将温度差异缩小69.8%[17]。李氏团队分析了针对不同海拔高度下运行的航空器与电动汽车用锂离子电池的热控制策略。通过对Z形、锯齿形、鳞片形和渐缩形四种设计构型的对比研究，发现渐缩式系统效果最佳，其最高温度仅为39.55°C。研究进一步建议将入口流速提升至2 m/s或将进气温度降低3°C，以缓解高海拔条件下的热失控风险[18]。Gao等提出了一种采用倾斜挡板的空冷热管理系统，用于改善电池组下游区域的温度控制。优化后的挡板结构显著减小了回流区域，与早期配置相比实现了11.9%的压力损失下降、峰值温度降低2.14 K以及温度变化幅度减少49.2%[19]。
锂离子电池在大规模储能领域的日益广泛应用，凸显了对具有成本效益的热管理策略的迫切需求，该策略需确保电池性能稳定可靠[20]。在这方面，空气冷却因其系统架构简单、可扩展性强及运行成本低等优势，已成为极具可行性的解决方案。因此，该技术仍被广泛采用，尤其在大规模固定式电化学储能应用中表现突出[21]。尽管空气基热管理系统具有显著优势，但现有关于其在储能电池中应用的研究仍相对匮乏。Yang等人通过改变风扇运行模式（在吹送与抽吸之间切换）来增强气流调控，从而维持稳定的空气循环。研究结果表明，改进后的系统峰值温度达到310.29K，并保持4.87K的温度差异，分别降低了1.16%和54.与基准配置相比分别降低了36%，从而证实了风冷方案的可行性[22]。Wang等研究者探究了不同进气口布局对电池组性能的影响，发现沿电池单元长度方向的气流导向比宽度方向更有效，可使最高温度降低1.7°C、温差减少1.3°C。进一步分析针对电池交错排列方式的影响，最终确定10毫米错位量与5毫米单元间距为最优配置。该配置实现了28.2℃的最高温度与2℃的温度分布范围，较先前设计方案分别提升了0.5%和4.5%[23]。Sahin针对风冷电池储能系统的最佳间距开展研究，采用由10个串联电芯组成的50V电池组。通过分步交叉优化策略，研究确定在雷诺数250-2000范围内，最优电芯间距介于3.5mm至5.8mm之间，同时保持温差低于5℃[24]。
先前讨论的储能电池优化策略大多忽略了压降损耗的影响。为确保热管理系统的稳定高效运行，必须在提升热性能与可控压降之间取得平衡。虽然强化传热性能具有优势，但这往往会导致压降上升，进而增加热控制系统的能耗需求。因此，需审慎权衡热强化与流动阻力之间的关系。
涡流发生器（VGs）被广泛应用于通过流道内生成涡旋以强化传热，能够在基本不干扰主流流动的情况下提升热性能[25]。Damanafshan等人开发了一种适用于波形壁通道的新型VGs结构，并分析了其对传热与流动阻力的影响。实验结果表明，该结构的应用使努塞尔数提升了190%，同时保持了较低的摩擦损失和对主流的微小扰动，最终实现了1.24的优化热效率[26]。Liang等人该研究将翅片管换热器与涡流发生器(VGs)结合，系统考察了攻角、偏转角和长度的作用规律，并采用响应面法(RSM)与非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行多目标优化。实验数据表明，该结构使努塞尔数提升15.8%，性能评价准则(PEC)提高7.72%，证实可在可控压降范围内实现显著的传热强化效果[27]。肖等学者针对板翅式换热器(PFHS)中的三角翼型VGs展开研究，重点分析了其对热工水力性能(THP)的影响机制。通过调整涡流发生器（VG）的排数、攻角和倾斜角，本研究确定采用双排布置为最优配置，在攻角75°、倾斜角45°、轴向间距10 mm条件下获得最高水力性能系数1.23 [28]。Mahdi等学者研究了柔性VG在微通道系统中的性能，证实交错排列方式可使传热性能显著提升，达到性能评价准则（PEC）值1.16。基于响应面法（RSM）的进一步优化表明，相较于直通道构型，整体性能提升达28.8%。交错排列方式不仅强化了流体混合效应，还有效抑制了通道内停滞区的形成[29]。
仿生学在传热领域的应用日益广泛，众多研究者正探索其在电池热管理中的潜力[30]。隋等人受蕨类植物启发提出一种仿生冷却结构，该结构与相变材料(PCMs)相结合用于电池热调控。分析表明，相较于传统液冷系统，这种自然启发的冷却方法使热梯度降低了9.23°C。相对于标准风冷、纯相变材料系统以及相变材料-液体混合方案，峰值温度分别下降了10.41°C、5.温度分别为05°C和2.1°C。通过正交实验对终端分叉角度和尺寸比等参数进行优化后，最高温度降至37.76°C，完全处于安全运行范围内[31]。Liu等人研究了一种受枫叶启发的液冷电池散热板，与传统蛇形流道结构相比，其压力Drop降低了85.7%。优化后的散热板不仅减少了能量损耗，还提升了热管理性能。总体而言，电池温度降低了0.5 K，局部温度Drop了0.4 K，从而确保了更好的温度均匀性[32]。
针对大容量储能电池组风冷系统的研究仍显不足，尤其在系统压力损失问题方面存在明显空白。通过在风冷系统中集成涡流发生器，有望克服传统风冷热管理系统的部分局限性，充分发挥其结构紧凑、流动阻力低的优势。然而，现有研究尚未探索涡流发生器在大型储能电池热调控系统中的应用。因此，本研究Objective在于评估涡流发生器对储能电池系统热性能的影响，并提出一种仿生流线型涡流发生器——基于海豚嘴部形态设计。海豚嘴部凭借其空气动力学特性，在从中心向两侧逐渐延伸的结构中，既能显著降低pressure drop，又可提供宽广的工作范围和优异的稳定性。与传统涡流发生器相比，该设计采用更宽的结构，特别适用于大容量储能电池热管理系统中的流道。本研究运用ANSYS Fluent进行模拟分析，以280 Ah方形储能电池为研究对象，通过循环充放电实验进行验证，观测电池温升情况。在此基础上，系统评估了涡流发生器数量、间距及交错偏移距离等参数的变化对热管理性能的影响。电池热管理性能的影响，以最高温度、温差和压降作为关键评价指标。将结果与未安装涡流发生器的直通道进行对比。为进一步分析强化传热与压力损失，NuNu/以及综合传热因子0, 的作用。本研究为大容量储能电池的风冷热管理系统提供了一种新思路，有助于提升储能系统的稳定性和安全性。/f0, and the comprehensive heat transfer factor R are utilized. This research provides a novel approach to air-cooled thermal management systems for large-capacity energy storage batteries, contributing to the stability and safety of energy storage systems.
