液体冷却锂离子电池组热管理系统配置的数值研究及实验验证

《Scientific Reports》：Numerical investigation of liquid-Cooled battery thermal management system configurations for a lithium-ion battery pack with experimental validation

　　

高效的热管理对于电动汽车（EVs）中锂离子电池的安全和寿命至关重要。本研究提出了一种针对NMC（镍锰钴氧化物）锂离子电池模块液体冷却策略的数值研究及实验验证，比较了蛇形（配置1）、平行（配置2）和平行/逆流混合（配置3）布局。一个自建的4电池实验台架与CFD模拟验证显示出良好的一致性，相对偏差低于0.6%，确认了模型的可靠性。在受控流动条件下，观察到了热学和水力学行为的明显差异。配置1表现出最高的热应力，峰值温度达到75.7 ^°C（电池7）和74.1 ^°C（电池18），这是由于下游热量积累和有限的接触面积，同时具有最大的温度差（ΔT = 11.0 K）和最高的压降（27.3 Pa）。配置2将电池组峰值温度降低至70.6 ^°C（电池18，比配置1低6.7%）和64.7 ^°C（电池7，低14.8%），实现了最佳的单电池内均匀性（σ = 0.47 K，CV = 5.6%）和最低的压降（9.1 Pa）。配置3提供了最均衡的冷却，最高电池温度比配置1降低7.6%，比配置2降低0.9%，而电池18的最高温度降低了11.8%。它实现了最窄的电池间ΔT（4.1 K），比配置1和配置2分别降低了62.5%和11%，同时具有最低的σ = 1.0 K（CV = 0.32%）。总体而言，蛇形冷却简单但热效率低，平行流是最节能的，而混合平行/逆流设计提供了最佳的整体热平衡，同时将所需泵功率降低了约89%，使其成为安全可靠电动汽车电池运行的最合适布局。

论文解读文章

随着电动汽车（EV）的快速普及，锂离子电池的热管理成为确保其安全性和寿命的关键。电池运行的最佳温度范围通常在15 °C至40 °C之间，过高或过低都会导致性能衰减、加速老化，甚至引发热失控。现有热管理策略包括被动冷却（如相变材料PCM和自然对流）和主动冷却（如空气和液体冷却）。液体冷却因其高散热能力和紧凑兼容性被广泛采用，但系统复杂性和成本仍是挑战。当前研究存在三个主要局限：一是大多仅对简化电池阵列或单层模块进行模拟，未考虑实际串并联结构（如6s4p）；二是验证放电率通常不超过2 C，难以反映高负载工况；三是多数优化单一通道几何，缺乏对竞争拓扑的横向比较。混合平行/逆流布局在紧凑型高功率电池组中尚未被充分探索。因此，研究人员开展了一项结合数值模拟与实验验证的研究，旨在系统比较三种液体冷却布局（蛇形、平行、混合平行/逆流）在真实6s4p NMC（镍锰钴氧化物）电池组中的热学和液压性能，为电动汽车电池热管理系统（BTMS，Battery Thermal Management System）设计提供优化方向。该研究发表在《Scientific Reports》。

研究人员为开展研究主要采用了以下关键技术方法：使用ANSYS Fluent 2023 R1进行计算流体动力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）模拟，采用Bernardi模型计算电池内部热生成率（包括焦耳热和熵热）。通过自建4电池实验台架（使用陶瓷加热器模拟电池，NTC（Negative Temperature Coefficient）热敏电阻测温，ESP32微控制器控制）验证了蛇形冷却通道的CFD模型，稳态误差在±1.6 K以内，相对偏差低于0.6%。随后对三种冷却配置在6s4p Sony VTC6电池组（24节电池，标称电压21.6 V，容量12 Ah）中进行数值模拟，设置不同放电率（1 C至5 C）和冷却液流速（0.001 m/s至0.05 m/s），分析温度分布、均匀性（包括电池间和电池内）、压降及泵功率。

研究结果如下：

**Temperature distribution**：通过CFD模拟，对比三种配置在不同C-rate下的温度分布。蛇形配置（Config 1）因冷却液单向流动，下游电池热量积累，5 C时峰值温度达75.7 °C（电池7）和74.1 °C（电池18），温度梯度大。平行配置（Config 2）将冷却液分流至三个平行通道，峰值降至70.6 °C（电池18），比Config 1低6.7%，电池7温度降低14.8%。混合平行/逆流配置（Config 3）采用两个平行通道和一个逆流通道，进一步平衡温度，峰值70.0 °C，比Config 1低7.6%，电池18降低11.8%，温度分布最均匀。

**Effect of coolant flow rate**：通过改变流速，发现所有配置的最高温度随流速增加而降低，但超过0.008 m/s后改善效果减弱，出现冷却饱和。Config 3在所有流速下保持最低温度。

**Cell uniformity**：分为电池间和电池内均匀性。在3 C放电下，电池间均匀性：Config 1的标准差（σ）为2.41 K，变异系数（CV）0.78%，最大温差（ΔT_inter）11.04 K；Config 2的σ=1.11 K，CV=0.36%，ΔT_inter=4.65 K；Config 3的σ=1.00 K，CV=0.32%，ΔT_inter=4.14 K（比Config 1降低62.5%）。电池内均匀性：Config 2最佳（σ=0.47 K，CV=5.6%），Config 1最差（σ=1.09 K，CV=13.9%），Config 3居中（σ=0.54 K，CV=6.4%）。这些结果通过统计指标对比得出，表明平行流有助于降低单电池内部温差，而混合布局在电池间均匀性上最优。

**Pressure drop analysis**：压降随流速非线性增加。Config 1因路径最长，压降最大（27.34 Pa at 0.05 m/s）；Config 2和3由于平行短路径，压降仅约9.07 Pa，降低约67%。

**Pumping power and thermal-hydraulic efficiency**：在相同总流量下，Config 1的泵功率为59.2 μW，Config 2和3仅为6.24 μW，降低89%。热-液压效率（移除热量/泵功率）Config 2和3比Config 1高约一个数量级。

总结讨论部分指出，冷却布局对热管理性能起决定性作用。蛇形布局简单但热梯度和压损大；平行布局在电池内均匀性和水力学效率上表现优异，是最节能的方案；混合平行/逆流布局提供了最佳的整体热平衡，且泵功率大幅降低。研究还强调表面接触质量（使用热界面材料TIM）对防止局部热点至关重要，尤其在边界和中路电池。流速分析显示存在冷却饱和区域，过高流速收益递减。未来设计应结合先进流道布局、TIM优化和系统级控制，以提高电池在真实工况下的安全性和寿命。

翻译研究结论部分：一项结合数值和实验的研究比较了NMC锂离子模块的三种液体冷却布局：蛇形（配置1）、平行（配置2）和混合平行/逆流（配置3）。一个四电池实验台架将CFD模型验证在±1.6 K以内（相对偏差低于0.6%）。主要发现总结如下：峰值温度：配置1最热（电池7为75.7 ^°C，电池18为74.1 ^°C）。配置2将峰值降至70.6 ^°C（比配置1低6.7%），配置3给出最低峰值（比配置1低7.6%），电池18降低11.8%。电池间均匀性：配置3最佳，σ=1.00 K，CV=0.32%，最窄范围（ΔT=4.14 K）——比蛇形（11.04 K）降低62.5%，比平行（4.65 K）降低11%。电池内均匀性：配置2最佳（σ=0.47 K，CV=5.6%）。液压成本：配置1的压降（27.34 Pa）和泵功率（59.2 μW）最高；配置2和3将泵功率削减至约6.24 μW（在匹配流量下降低89%），热-液压效率提高近十倍。除了冷却布局，研究还表明表面接触质量和使用TIM在防止局部热点方面同样具有决定性作用，尤其是在边界和中路电池中。流量分析进一步揭示了超过中等速度（约0.008–0.024 m/s）后收益递减，识别出一个冷却饱和区域。总体而言，配置1虽然简单，但存在过大的热梯度和压损。配置2在电池内均匀性和水力学效率方面表现出色，提供了高效传热和最小泵损耗的平衡解决方案。配置3展示了最佳的热平衡，稍微改善了热均匀性，但增加了复杂性。未来的设计应结合先进的流道布局、TIM优化和系统级控制，以在现实运行条件下提高电池的安全性和寿命。