《Scientific Reports》：Thermal management of prismatic lithium-ion battery using mist cooling with single and multiple injections: a numerical study
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高放电倍率棱柱形锂离子电池组的热管理因具有大平面传热表面、强烈的流向热梯度及严格的温度均匀性要求而仍具挑战性。本研究采用数值方法，将雾辅助空气冷却作为传统强制空气冷却的增强手段，针对高放电倍率（5?C）的棱柱形LiFePO?（磷酸铁锂）电池组展开研究。研究人员
高放电倍率棱柱形锂离子电池组的热管理因具有大平面传热表面、强烈的流向热梯度及严格的温度均匀性要求而仍具挑战性。本研究采用数值方法，将雾辅助空气冷却作为传统强制空气冷却的增强手段，针对高放电倍率（5?C）的棱柱形LiFePO?（磷酸铁锂）电池组展开研究。研究人员构建了一个瞬态三维计算流体动力学（CFD）框架，该框架集成了详细的喷雾动力学、液滴破碎、蒸发及双向相耦合，用以比较纯空气冷却与单次及多次雾喷射配置的性能。结果表明，纯空气冷却导致电池峰值温度约达62?°C，并伴随显著的温度不均匀性。单次雾喷射使最高温度降低2–3?°C，但因蒸汽积聚而表现出有限的下游有效性。相比之下，多次雾喷射实现了近10?°C的峰值温度降低，并减少了温度不均匀性。蒸汽质量分数云图显示，分布式喷射能沿整个流道维持蒸发，抑制边界层再发展，并确保均匀的潜热吸收。瞬态分析进一步表明，在持续放电条件下，热稳定性得到改善。这些发现确立了多次雾喷射作为一种轻质、节能且有效的高倍率棱柱形电池热管理策略。
**棱柱形锂离子电池采用单次与多次喷射雾冷却的热管理：数值研究——论文解读**
**研究背景与问题**
随着电动汽车（EV）的快速发展，其核心部件——锂离子电池（Li-ion battery）的热管理成为关键挑战。锂离子电池在充放电过程中会产生热量，适量的热量有利于电化学反应，但过度热积累会导致温度升高与不均匀分布。研究表明，在恶劣工况下，电池最高温度应限制在60?°C以下，超过55?°C时电池容量在100次循环内可下降30%，而高于80?°C则可能引发热失控（thermal runaway），导致电极材料分解、释放氧气，甚至爆炸。此外，电池组内的温度不均匀性应尽量小于5?°C，以减缓老化与容量衰减。因此，电池热管理系统（Battery Thermal Management System, BTMS）至关重要。
传统强制空气冷却（air cooling）因其结构简单、轻量化、低成本而广泛应用于电动汽车，但空气的比热容低、导热系数小，在高放电倍率下难以有效控制温度均匀性。液体冷却（如浸没冷却）虽能提供更好冷却效果，但存在泄漏风险、重量增加及系统复杂性等问题。雾冷却（mist cooling）通过向主流空气中引入细小液滴，利用液滴蒸发潜热显著增强换热能力，是一种有前景的轻量化增强方案。然而，现有研究多局限于单点喷射策略，缺乏对空间蒸发控制、蒸汽分布及边界层再发展的系统分析，尤其在高倍率棱柱形电池组中，如何通过分布式喷射改善下游冷却效果仍不明确。
**本研究的开展**
基于上述问题，研究人员对高放电倍率（5?C）的棱柱形LiFePO?电池组开展了数值研究，比较了纯空气冷却、单次雾喷射及多次雾喷射三种冷却策略的性能。研究旨在揭示雾辅助空气冷却的耦合热-流体机制，并证明分布式喷射能否在不增加主流空气流量的情况下，显著降低峰值温度、改善温度均匀性。该论文发表在《Scientific Reports》上。
**关键技术与方法**
研究人员采用瞬态三维计算流体动力学（CFD）框架，在ANSYS Fluent中求解连续性、动量及能量方程，选用RNG k-ε湍流模型并配合增强壁面处理。喷雾动力学采用离散相模型（Discrete Phase Model, DPM），将空气视为连续欧拉相，而水雾液滴则通过拉格朗日方法单独追踪。液滴破碎使用泰勒类比破碎（TAB）模型，蒸发过程通过组分输运模型计算，同时考虑双向相耦合（双向动量、质量和能量交换）。电池热生成率基于实验数据（52号参考文献）的5?C放电热生成曲线，通过用户自定义函数（UDF）以瞬态体热源形式输入。电池模型为8S1P（8个单体串联，1个并联）的棱柱形LiFePO?电池组，单体容量10?Ah，标称电压3.2?V，额定功率1280?W。冷却空气流量固定为0.108?kg/s，水雾加载分数为5%，液滴直径0.1?mm，入口温度均为298?K。系统经过网格独立性验证（约420,000个多面体网格）及实验数据验证，最大温度偏差小于6%。
**研究结果**
**纯空气冷却下的电池热性能**
纯空气冷却时，电池表面最高温度约62?°C，热区集中在冷却域出口附近。由于空气的有限热容及沿流向发展的边界层，电池组表现出显著的温度不均匀性，入口处细胞温度44–46?°C，而出口处接近60?°C。
**单次雾喷射的冷却性能**
单次底部雾喷射使最高温度降至约59?°C，相比纯空气冷却降低约2–3?°C。液滴沿主流流动蒸发，通过潜热吸收增强了空气的显热冷却能力，但蒸汽质量分数云图显示，蒸发主要集中在上游和中段，下游蒸汽积聚导致蒸发驱动力减弱，温度仍存在空间不均匀性。
**多次雾喷射的冷却性能**
多次雾喷射（沿底部设置多个喷射点）将最高温度进一步降至50–52?°C，相比纯空气冷却降低近10?°C，相比单次喷射降低约7?°C。更重要的是，电池组内温度差显著减小，温度均匀性大幅改善。蒸汽质量分数云图表明，多次喷射使得蒸汽在流道内均匀分布，液滴持续蒸发，有效抑制了边界层再发展，并在细胞间隙中维持了高蒸汽浓度，确保了均匀的潜热吸收。
**瞬态热响应**
在5?C持续放电过程中，纯空气冷却时温度持续上升，无明显平台期；单次喷射后温度上升速率减缓，接近准稳态；多次喷射则表现出最稳定的热响应，温度在初始上升后达到近稳态值，表明分布式蒸发持续抵消热生成，防止长期热积累。
**结论与讨论**
本研究通过数值模拟证明，多次雾喷射策略能够显著提升高放电倍率棱柱形锂电池组的冷却性能，在保持原空气流量的条件下，将峰值温度降低约10?°C，同时改善温度均匀性。其物理机制在于分布式喷射维持了沿整个流道的蒸发过程，避免了蒸汽饱和导致的潜热吸收衰减，并持续扰动边界层。该方案额外能耗仅来自雾化注射器，远低于风扇或液体泵所需功率，因此是一种轻量化、紧凑且节能的增强型空气冷却方案。未来工作应扩展至气候依赖性环境条件及实验验证，并优化液滴尺寸分布、喷射间距及自适应控制策略，以推动雾冷却在下一代电动汽车电池组中的实际部署。该研究直接促进可持续目标（SDG 7：负担得起的清洁能源），通过提升电池效率、安全性与可靠性，助力可持续交通系统。
