具有雪花状流道的混合动力电池热管理系统的性能评估

《Journal of Energy Storage》：Performance evaluation of hybrid battery thermal management system with snowflake-shaped flow channel

针对电动汽车电池在极端温度下的热管理挑战，提出一种混合热管理系统。该系统采用雪花形流道和复合相变材料提升散热效率，并利用PTC陶瓷加热器优化低温预热策略。实验与模拟表明，相比传统蛇形流道系统，最大温度降低1.65℃，温度均匀性提高0.87℃，系统重量减少36.18g，预热速率提升19.52%。

　　随着全球变暖和环境污染问题日益严重，车辆电动化已成为解决这些问题的有效手段。锂离子电池（LiBs）因其快速充电、低自放电率、长循环寿命和环保特性，被广泛应用于各种电动车辆（EVs）的能量存储系统中。然而，LiBs在极端温度环境下表现不佳，高温会增加锂离子的化学活性，从而引发安全问题，而低温则会显著降低电池的有效容量，影响车辆的行驶里程，甚至导致车辆无法启动。因此，电池热管理系统（BTMS）的设计至关重要，以确保电池在20至50摄氏度之间稳定运行。

目前，电动车辆的BTMS主要包括空气冷却、液体冷却、相变冷却和热管冷却等多种方式。其中，空气冷却系统因其维护简便和环境兼容性而受到关注。Hasan等人通过数值模拟设计了一种高效的空气冷却系统，提高了LiB的性能。Chen等人则开发了一种并行空气冷却系统，并采用智能策略进行控制，结果显示该系统在多种运行条件下能够将温度差控制在0.5开尔文以内。Yang等人研究了一种控制策略，通过调整阀门开度，有效平衡电池温度分布，提高了整个电池组的热均匀性并减少了能耗。

然而，在高温或高放电率的情况下，空气冷却系统在满足LiB散热需求方面存在局限。相比之下，液体冷却系统因其冷却剂的高热导率和比热容，逐渐成为主流选择。Wang等人设计了一种带有蛇形微通道的液体冷却系统，研究发现冷却液的流动方向对冷却效果有显著影响，最优系统可降低电池最大温度和平均温度分别0.85%和0.90%。Wang等人进一步提出了一种蝴蝶通道结构，并将其与传统流道进行了对比，结果显示流道形状和结构参数对电池模块的最大温度和压降有重要影响。Chen等人则设计了一种具有荷叶形流道的创新液体冷却板（LCP），并分析了流道形状和质量流量对单个锂离子电池温度的影响，发现高入口质量流量虽然能有效降低电池温度，但会导致较大的压降。Zhao等人提出了一种蜂窝状LCP，显著增加了液体与LCP之间的接触面积，从而提升了冷却效率。

与空气和液体冷却方法不同，相变冷却作为一种被动冷却技术，近年来吸引了众多研究人员的关注。固态相变材料（PCMs）具有轻质和稳定性的优点，并且在从固态转变为液态的过程中可以吸收大量潜热，从而快速维持电池温度在目标温度附近，提供更好的温度均匀性。然而，PCMs也存在明显的缺点，如体积较大、导热能力较低，以及在完全液化后可能导致散热失效的风险。为了提高PCMs的导热性能，研究人员开发了多种复合方法，如翅片、金属泡沫和石墨等。

近年来，更加高效的复合冷却方法引起了研究人员的浓厚兴趣，特别是液冷相变复合冷却方法被视为一种有前景的冷却方案。An等人研究了一种结合 nasturtium 冷却通道和蜂窝状 PCMs 的仿生冷板，有助于开发轻量、节能的电动车辆 BTMS。此外，一种创新的毛细/蜂窝混合 BTMS 也被提出，以提高棱柱形 LiB 的冷却和质量分组效率。Yao等人将仿生蜘蛛网通道与 PCM 结合，发现这种混合 BTMS 相比纯 PCM 冷却表现出更优异的散热性能。

随着电动车辆的普及，低温度地区用户数量不断上升。然而，由于电池对温度的敏感性，当温度过低时，电动车辆的行驶里程和充电时间都会显著延长。近年来，电动车辆的预热技术得到了加强。Zhang等人通过实验测试了正温度系数（PTC）加热膜对电池预热行为的影响，结果显示侧加热是一种有效的方法，可以加快电池模块的预热过程。除了 PTC 加热膜，热电冷却器也被用于预热 LiBs。使用二次函数预热策略控制的热电冷却器在加热低温电池方面显著提高了效率。

综上所述，电池热管理系统的研究取得了显著进展，但在充分考虑极端低温环境下的系统整体环境适应性方面仍存在不足。目前对 BTMS 的评估主要集中在散热性能上，而忽略了系统整体性能，如系统重量和流体介质的压降。传统的低温预热策略通常采用恒定电流模式控制加热器对电池进行加热，这种方式容易导致电池局部过热，并且预热速率较低。为了解决上述问题，本文的主要贡献包括：

1. 设计了一种结合雪花形流道的液-相变材料复合冷却 BTMS（SF-HBTMS），该系统能够有效实现高温散热和低温预热，从而提高电池的环境适应性。
2. 通过多个评估指标，对所提出的 BTMS 进行了全面评估，包括最大温度、温度均匀性、液相率、系统重量和流体压降。
3. 在?20°C的低温环境下，设计了多种预热策略，并确定了最优策略。该策略能够在2622秒内将电池从?20°C预热至20°C，预热速率达到0.915°C/分钟，相比传统恒定电流加热策略，预热速率提高了19.52%。

本文的研究结果表明，雪花形流道的引入显著改善了 BTMS 的性能。在实验和数值模拟的基础上，该系统在最大温度、温度均匀性和系统重量方面均优于传统的蛇形流道系统。雪花形流道的独特结构设计使得冷却和预热过程更加高效，从而提升了电池在极端温度环境下的适应能力。此外，通过优化的预热策略，电池在低温下的预热速率得到了显著提升，这有助于提高电动车辆在寒冷环境下的运行效率和可靠性。

本文的研究不仅为电动车辆的 BTMS 提供了新的设计思路，还为实际应用中的系统优化提供了理论依据。雪花形流道的引入结合了相变材料的优势，使得 BTMS 在热管理方面更加全面。同时，通过优化的控制策略，预热过程的效率和均匀性得到了有效提升，为电池在极端环境下的稳定运行提供了保障。这些成果对于推动电动车辆在各种气候条件下的广泛应用具有重要意义，也为未来的电池热管理系统研究提供了新的方向和参考。

在具体设计方面，雪花形流道的几何参数对 BTMS 的性能有着重要影响。例如，流道的分支宽度、分支角度和入口质量流量等参数都会对电池的温度分布和散热效率产生影响。通过系统的研究，发现优化这些参数可以有效降低电池的最大温度，提高温度均匀性，并减少系统的整体重量。此外，不同的预热策略对电池的预热时间和温度均匀性也有显著影响。实验结果表明，在?20°C的低温环境下，采用指数函数策略的预热过程比恒定电流策略快19.52%，这表明在预热过程中，动态调整加热功率可以显著提高效率。

在实际应用中，雪花形流道的结构设计不仅能够提升冷却和预热性能，还具有良好的机械强度和结构稳定性。这种设计使得冷却介质能够更均匀地分布在整个电池组中，从而避免局部过热或冷却不足的问题。同时，雪花形流道的轻量化特性也使得整个 BTMS 的重量得到有效控制，这对于电动车辆的能耗和续航里程具有重要意义。

此外，本文的研究还表明，相变材料的复合使用可以显著提升 BTMS 的整体性能。通过将相变材料与液冷系统相结合，可以在高温环境下提供高效的散热能力，而在低温环境下则能够迅速提升电池温度，确保其正常工作。这种复合系统的应用不仅提高了电池的热管理能力，还增强了电动车辆在各种环境下的适应性。

在实验和模拟过程中，研究人员采用了多种方法来评估 BTMS 的性能。数值模拟主要用于分析不同流道结构和参数对电池温度的影响，而实验测试则用于验证这些模拟结果，并进一步优化系统设计。通过对比不同设计的 BTMS，研究人员能够全面了解其在不同运行条件下的表现，并据此提出改进方案。

总的来说，本文提出了一种创新的 BTMS 设计，结合了雪花形流道和相变材料的优点，显著提升了电池在极端温度环境下的适应性。该系统不仅在散热和预热性能方面表现出色，还在系统重量和流体压降等方面实现了优化。通过系统的研究和实验验证，本文为电动车辆的热管理技术提供了新的解决方案，并为未来的电池热管理系统研究奠定了基础。