基于场协同原理的混合动力电池热管理系统性能分析

《Journal of Energy Storage》：Performance analysis of hybrid battery thermal management system based on field synergy principle

混合电池热管理系统设计及性能优化研究，提出管道液体冷却与相变材料（PCM）协同的混合冷却策略，通过对比七种液冷管道布局（LCP），发现双管道反向流式（Pipe&Xtop2-inout）最优，使最大温度和温差分别降至32.05℃和3.64℃，能耗仅为GaN80的21.3%。优化启动温度至29.2℃可降低能耗76.94%，同时保持温度均匀性。引入场协同角分析流体、温度与压力场耦合机制，确定5mm电池间距最优，验证了混合系统在抑制温度、均衡分布及节能方面的协同效应。

　　本研究旨在解决电动汽车（EV）中高能量密度电池组在运行过程中产生的显著热量问题，从而导致电池温度迅速上升的问题。随着电池技术的不断发展，电池的充放电速率和能量密度显著提高，这使得电池在使用过程中产生的热量增加，进而影响其性能和安全性。为了解决这一问题，研究提出了一种结合管道液体冷却与相变材料（PCM）冷却的混合电池热管理系统（BTMS）。该系统不仅能够有效降低电池的最大温度，还能在保证温度均匀性的同时减少能量消耗，从而提升整体系统的效率和稳定性。

在研究中，研究人员对多种液体冷却管道（LCP）的配置进行了系统性的比较，最终确定了“Pipe&Xtop2-inout”这一特定的布局方式，即在电池的正负极两端各布置两条液体冷却管道，并采用反向流动的设计。这种配置方式在实验中表现出最佳的热散逸性能，使得电池的最大温度被控制在32.05°C，最大温度差仅为3.64°C，同时所需的泵功率仅为19.2×10?? W。这种设计不仅提高了冷却效率，还降低了能耗，为高功率电池组的热管理提供了新的思路。

为了进一步优化冷却性能，研究还探讨了不同冷却液的选择对系统效果的影响。实验结果显示，水作为冷却液在温度控制与能量消耗之间达到了较好的平衡。与使用镓（Ga80）作为冷却液相比，使用水的泵功率需求仅为Ga80的21.3%。这表明水是一种在实际应用中具有较大潜力的冷却介质，尤其适用于对能耗敏感的电动汽车系统。

此外，研究还分析了冷却液入口流速对热散逸性能和能量消耗的影响。当入口流速设定为0.01 m/s时，系统能够在抑制温度上升、保持温度均匀性以及减少能量消耗之间取得最佳平衡。这表明，合理的流速设置对于提升冷却系统的整体性能至关重要，同时也为实际应用中冷却系统的参数优化提供了依据。

在PCM冷却方面，研究还探讨了冷却管道启动温度对系统性能的影响。通过将冷却管道的启动温度延迟至29.2°C，研究发现能够显著降低能量消耗，达到76.94%的节能效果。尽管如此，最大温度和最大温度差仅分别增加了1.00%和1.65%，这表明即使在启动温度延迟的情况下，系统仍能保持较高的冷却效率。同时，这种调整还增强了PCM的潜热利用效率，进一步提升了系统的整体性能。

研究还分析了电池间距对热管理效果的影响。随着电池间距的增加，液体冷却的启动时间延长，而泵的功率需求则相应减少。然而，最大温度、最大温度差以及场协同角（field synergy angle）的变化趋势呈现出先降低后升高的特点。因此，为了在冷却性能、能量消耗和能量密度之间取得最佳平衡，研究建议将电池间距设置为5 mm。这一间距既能有效控制电池温度，又不会显著增加系统能耗，为实际工程设计提供了重要的参考依据。

总体而言，该混合热管理系统不仅提高了电池组的冷却效率，还显著降低了能量消耗，从而为高功率电池组的热管理提供了一种高效且节能的解决方案。通过结合液体冷却和PCM冷却的优势，该系统能够在复杂工况下维持电池的稳定运行，确保其在最佳温度范围内工作，从而延长电池寿命，提高电动汽车的续航能力，并增强其运行的安全性。

在电池热管理领域，传统的冷却方式如空气冷却和液体冷却各有优劣。空气冷却虽然具有轻便、成本低、无泄漏等优点，但在高功率需求和大容量电池组的情况下，其冷却能力明显不足，难以同时控制最大温度和温度均匀性。相比之下，液体冷却系统具备更高的对流换热系数和更好的热传导性能，适用于高功率和高温环境。然而，液体冷却系统的设计较为复杂，不仅需要考虑冷却液的流动路径，还要确保系统的机械强度、电气绝缘和密封性能，这在一定程度上增加了系统的成本和能耗。

另一方面，PCM冷却技术以其无需额外能量消耗和良好的热存储能力而受到关注。PCM能够在相变过程中吸收大量热量，从而有效降低电池温度。然而，PCM的导热性能相对较弱，且在熔化过程中存在热失控的风险，这限制了其在实际应用中的效果。因此，将PCM与传统主动冷却方式相结合，形成混合冷却系统，成为当前研究的一个重要方向。

研究中提到的“Pipe&Xtop2-inout”布局方式，通过在电池正负极两端各布置两条液体冷却管道，并采用反向流动的设计，使得冷却液能够更均匀地覆盖电池表面，从而有效降低温度差异。这一设计不仅提高了冷却效率，还减少了泵的功率需求，降低了系统的整体能耗。此外，通过合理设置冷却液的入口流速和启动温度，研究人员能够在不同工况下优化系统的冷却性能，确保电池在最佳温度范围内运行。

在实际应用中，电池间距的设置对于系统的冷却性能和能耗具有重要影响。研究发现，随着电池间距的增加，液体冷却的启动时间延长，而泵的功率需求则相应减少。然而，最大温度和最大温度差的变化趋势表明，电池间距的增加并不总是带来更好的冷却效果。因此，选择合适的电池间距对于平衡冷却性能、能量消耗和能量密度至关重要。通过实验分析，研究人员确定了5 mm作为最佳的电池间距，这一间距能够在保证冷却效果的同时，最大限度地减少能耗。

研究还引入了场协同角的概念，用于分析冷却系统的热传递性能。场协同角是衡量流体流动方向与温度梯度方向之间协同程度的一个参数，其值越小，表示热传递效率越高。通过引入这一概念，研究人员能够更直观地评估不同冷却配置对热传递性能的影响，从而为系统的优化设计提供理论支持。

综上所述，该混合电池热管理系统通过结合液体冷却和PCM冷却的优势，提供了一种高效且节能的解决方案。通过优化LCP布局、选择合适的冷却液、调整入口流速和启动温度，以及合理设置电池间距，系统能够在多种工况下实现最佳的冷却效果。这不仅有助于提升电池组的运行性能，还为电动汽车的热管理设计提供了新的思路和方法。

在当前电动汽车快速发展的背景下，电池热管理系统的优化显得尤为重要。随着电池能量密度的不断提高，电池组在运行过程中产生的热量也在不断增加，这对系统的冷却能力和能耗提出了更高的要求。因此，研究提出了一种结合多种冷却方式的混合系统，以应对高功率电池组在复杂工况下的热管理挑战。

此外，研究还强调了系统设计中的一些关键因素，如冷却液的选择、LCP的布局方式以及电池间距的设置。这些因素不仅影响系统的冷却效率，还对整体能耗和电池的运行稳定性产生重要影响。通过系统的实验分析和优化设计，研究人员能够为实际应用提供更加可靠和高效的热管理方案。

研究中提到的“Pipe&Xtop2-inout”布局方式，通过在电池正负极两端各布置两条液体冷却管道，并采用反向流动的设计，使得冷却液能够更均匀地覆盖电池表面，从而有效降低温度差异。这一设计不仅提高了冷却效率，还减少了泵的功率需求，降低了系统的整体能耗。同时，通过合理设置冷却液的入口流速和启动温度，研究人员能够在不同工况下优化系统的冷却性能，确保电池在最佳温度范围内运行。

在实际应用中，电池间距的设置对于系统的冷却性能和能耗具有重要影响。研究发现，随着电池间距的增加，液体冷却的启动时间延长，而泵的功率需求则相应减少。然而，最大温度和最大温度差的变化趋势表明，电池间距的增加并不总是带来更好的冷却效果。因此，选择合适的电池间距对于平衡冷却性能、能量消耗和能量密度至关重要。通过实验分析，研究人员确定了5 mm作为最佳的电池间距，这一间距能够在保证冷却效果的同时，最大限度地减少能耗。

研究还引入了场协同角的概念，用于分析冷却系统的热传递性能。场协同角是衡量流体流动方向与温度梯度方向之间协同程度的一个参数，其值越小，表示热传递效率越高。通过引入这一概念，研究人员能够更直观地评估不同冷却配置对热传递性能的影响，从而为系统的优化设计提供理论支持。

总的来说，该混合电池热管理系统不仅提高了电池组的冷却效率，还显著降低了能量消耗，从而为高功率电池组的热管理提供了一种高效且节能的解决方案。通过优化LCP布局、选择合适的冷却液、调整入口流速和启动温度，以及合理设置电池间距，系统能够在多种工况下实现最佳的冷却效果。这不仅有助于提升电池组的运行性能，还为电动汽车的热管理设计提供了新的思路和方法。