基于仿生叶脉冷板与三元混合纳米流体的能效型LiFePO4电池冷却系统热-水力优化

《Next Energy》：Thermo-hydraulic optimization of an energy-efficient LiFePO? battery cooling system using a bio-inspired cold plate and ternary hybrid nanofluid

　　

热管理对确保锂离子电池（LiBs）性能、安全性和寿命至关重要，尤其在高放电倍率下。在本研究中，研究人员开发了一种新型电池热管理系统（BTMS），其特点为基于叶脉设计的仿生微通道冷板。该系统集成了由氧化镁（MgO）、氧化铜（CuO）和氧化铝（Al₂O₃）纳米颗粒组成的三元混合纳米流体。该BTMS被集成到20 Ah磷酸铁锂（LiFePO₄）电池模块中，并在1 C至4 C放电倍率下进行数值研究。在不同冷却剂质量流量下分析了关键热-水力性能指标。结果表明，该BTMS成功将最高电池温度（T_b,max）保持在35 °C以下，并将最大温差（ΔT_b,max）限制在5 °C以下。使用水作为冷却剂时，将质量流量从0.001 kg/s增加至0.005 kg/s使T_b,max降低3.75 °C，ΔT_b,max降低2.98 °C。确定最优流量为0.003 kg/s，在1 C放电倍率下将压降（?P）保持在619.01 Pa，同时将j/f指数提高至0.262。添加三元混合纳米颗粒进一步改善了性能，在4 C放电倍率和6%纳米颗粒体积分数下，使T_b,max从29.76 °C降至29.35 °C，ΔT_b,max从4.22 °C降至3.95 °C。这些发现表明，所提出的BTMS具有提高电动汽车电池应用冷却效率、热均匀性和热-水力性能的潜力。

论文主体内容解读

研究背景与问题：电动汽车（EVs）转型是缓解气候变化和降低化石燃料依赖的重要策略。电池系统是电动汽车的核心部件，而电池热管理系统（BTMS，用于调控电池温度与温差）对运行安全、效率和寿命具有关键作用。研究人员指出，电池最佳工作温度范围为15 °C至35 °C，且电池间温差应低于5 °C。过热可诱发热失控并加剧电池退化，温度过低则会降低充电效率和功率输出。现有BTMS包括被动空气冷却与主动液体冷却、相变材料（PCMs）、纳米PCM、纳米流体、热管、多孔介质及混合系统等。空气冷却成本低、结构简单但热调节能力有限；液体冷却散热能力较强但增加系统复杂性和重量；PCM可提供热缓冲，但存在导热率低和长期稳定性问题。因此，开发创新、性能优良且低成本的BTMS对提升电动汽车性能与可靠性十分重要。

在此背景下，研究人员提出一种新型且具成本效益的BTMS，将仿生叶脉微通道冷板与三元混合纳米流体结合，针对20 Ah LiFePO₄电池模块，在1 C至4 C放电倍率和0.001 kg/s至0.005 kg/s冷却剂质量流量下进行数值研究，并考察25 °C至45 °C环境温度影响。研究得出的结论是：该系统可在高放电倍率下维持T_b,max低于35 °C、ΔT_b,max低于5 °C；0.003 kg/s为最优质量流量，可兼顾热控制与能耗；三元混合纳米流体可进一步降低T_b,max、ΔT_b,max并改善温度均匀性。其意义在于提高冷却效率、热均匀性和热-水力性能，为电动汽车电池热管理提供可扩展方案。

关键技术方法：研究人员构建了由五只串联20 Ah LiFePO₄软包电池组成的电池模块，采用叶脉仿生微通道铝冷板，并以水及MgO、CuO、Al₂O₃三元混合纳米流体为冷却剂。数值模拟采用NTGK（Newman, Tiedemann, Gu, and Kim）电化学模型与计算流体动力学（CFD）有限体积法，使用SIMPLE算法和四面体网格，并进行网格独立性分析。边界条件包括1 C至4 C放电、0.001 kg/s至0.005 kg/s质量流量、25 °C至45 °C环境温度。实验验证使用20 Ah LiFePO₄棱柱形软包电池，实验室环境约22 °C，比较平均温度；压降则与Monika et al.的数据对比。评价指标包括T_b,max、ΔT_b,max、均匀性指数（T_uni）、?P、冷却效率因子（β）及j/f因子。

研究结果：

5.1 恒定流量下BTMS在不同放电倍率下的热行为：研究人员在固定质量流量0.001 kg/s下，通过温度云图与T_b,max、ΔT_b,max分析发现，1 C至4 C放电时T_b,max均低于35 °C，表明冷板可有效散热；温度从电池上部到下部分布升高，说明冷却剂自上而下流动有效。但在4 C时ΔT_b,max达到6.63 °C，超过5 °C推荐值，说明高放电倍率下仍需改善温度均匀性。

5.2 入口质量流量的影响：研究人员通过分析0.001 kg/s至0.005 kg/s下T_b,max、ΔT_b,max、T_uni、?P、β和j/f，确定最优质量流量。

5.2.1 不同流量下T_b,max与ΔT_b,max分析：瞬态结果显示T_b,max先升高，随后准稳态，放电末期显著升高；质量流量增加可降低T_b,max。从0.001 kg/s增至0.005 kg/s时，1 C、2 C、3 C、4 C下T_b,max分别降低0.39 °C、1.17 °C、2.36 °C、3.76 °C，ΔT_b,max分别降低0.32 °C、0.93 °C、1.73 °C、2.98 °C。0.003 kg/s时ΔT_b,max低于5 °C，被视为最优流量。

5.2.2 均匀性指数：T_uni随质量流量增加而降低，表明温度分布更均匀。0.001 kg/s时均匀性较差，增至0.002 kg/s和0.003 kg/s后明显改善；超过0.003 kg/s后改善有限。0.003 kg/s时1 C、2 C、3 C、4 C的T_uni分别约为0.016、0.052、0.128、0.147。

5.2.3 压降：?P随质量流量增加而升高，0.001、0.002、0.003、0.004、0.005 kg/s对应?P分别为179.829 Pa、388.072 Pa、619.014 Pa、870.716 Pa、1142.16 Pa。超过0.003 kg/s后压降显著增加但冷却收益有限，因此0.003 kg/s在散热与能耗间取得平衡。

5.2.4 冷却效率因子：β随质量流量增加而下降，表明更高流量虽增强散热，但泵功增加导致整体效率下降；固定流量下放电倍率从1 C升至4 C时β显著增大。0.001 kg/s时4 C的β为131,176，1 C为17,005；0.003 kg/s后β趋于稳定。

5.2.5 j/f因子：j/f随质量流量增加而提高。0.003 kg/s时1 C、2 C、3 C、4 C的j/f分别为0.26188、0.15291、0.17032、0.14673。继续增至0.004 kg/s和0.005 kg/s时，1 C可升至0.44601，但2 C至4 C边际改善变小。综合热-水力指标，0.003 kg/s为最优。

5.3 与文献性能基准比较：研究人员将结果与Monika et al.、Zuo et al.和Patil et al.比较。与Monika et al.相比，3 C下平均温度降至28.15 °C，而对方为28.62 °C；最优流量下?P为619.014 Pa，约比对方999.4 Pa低38%。与Zuo et al.相比，在3 C和4 C下，本研究的T_b,max上升更缓并更早稳定，ΔT_b,max先升高后稳定。与Patil et al.相比，3 C、冷却剂15 °C时T_b,max为19.74 °C，对方为25.45 °C；35 °C时本系统为38.79 °C，对方为40.39 °C；4 C、35 °C时本系统为39.13 °C，对方为42.33 °C。结果表明本BTMS在限制温升方面更有效。

5.4 环境温度对TMS有效性的影响：研究人员在3 C和4 C、0.003 kg/s、环境温度25 °C至45 °C下评估，发现T_b,max随环境温度线性增加，4 C时更高。3 C和4 C下T_b,max极端值分别为29.5 °C和30.1 °C，仍处于15 °C至35 °C最佳范围，表明系统在高温环境下仍有效。

5.5 使用三元混合纳米流体提高BTMS效率：在4 C、优化质量流量和总纳米颗粒体积分数0%至6%下，T_b,max从29.76 °C降至29.35 °C，ΔT_b,max从4.22 °C降至3.95 °C，T_uni从0.14784降至0.14025。传热系数从372.85 W·m^-2·°C^-1增至420.04 W·m^-2·°C^-1，相对提高约12.7%。但压降从1.5%时的665.164 Pa增至6%时的1052.91 Pa，泵功从0.00202 W增至0.00374 W，说明热性能提升伴随水力代价。

讨论部分总结：研究人员通过多指标评价表明，0.003 kg/s是兼顾温度控制、热均匀性、压降和能耗的最优流量。三元混合纳米流体可改善热性能和温度均匀性，但会增加压降和泵功。系统在25 °C至45 °C环境温度下保持有效，并与已有文献系统相比表现出更低T_b,max、ΔT_b,max和压降。该设计对电动汽车电池冷却效率、热均匀性和热-水力性能具有提升意义。

研究结论翻译：本研究旨在确定一种采用新型分形微通道设计的BTMS对20 Ah LiFePO₄电池的有效性。研究人员在质量流量0.001、0.002、0.003、0.004和0.005 kg/s下，于1 C至4 C放电倍率下进行模拟，先使用水，随后使用三元混合纳米流体。研究发现：在0.001 kg/s下，热性能不足，T_b,max接近期望限值，且ΔT_b,max超过推荐阈值，尤其在高放电倍率下。在最优质量流量0.003 kg/s下，性能达到峰值，所有放电倍率下T_b,max保持低于35 °C安全阈值，电池间ΔT_b,max不超过5 °C；具体而言，1 C、2 C、3 C、4 C下T_b,max分别为25.47 °C、26.52 °C、29.13 °C、29.76 °C，ΔT_b,max分别为0.43 °C、1.35 °C、3.61 °C、4.22 °C。在0.005 kg/s和0.004 kg/s下，与0.001 kg/s和0.002 kg/s相比改善不显著，但能耗增加，因此在能量效率方面成本效益较低。使用三元混合纳米流体在4 C放电倍率下将T_b,max从0%时的29.76 °C降至6%时的29.35 °C，并将ΔT_b,max从4.22 °C降至3.95 °C。为更好评价所提出模型，研究人员将本研究的熱参数与既往研究进行比较，结果表明本BTMS在降低T_b,max和ΔT_b,max方面表现更优，这主要归因于微通道设计和流量控制的优化。这些改进使热效率超过许多早期系统，从而在各种放电倍率下提供更稳定、更安全的电池管理。此外，该TMS在25 °C至45 °C环境温度范围内表现出稳健适应性，这对于在不同环境中部署该BTMS至关重要，可确保电动汽车电池在不同气候下的安全性和效率。总之，这种新型BTMS设计的热性能代表了电动汽车领域的显著进步，有望显著改善电池耐久性和性能，这对应对绿色和可持续交通挑战至关重要。