基于离散相模型方法的电动汽车蒸发式混合电池热管理系统性能与参数数值研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Numerical investigations on performance and parametric studies of evaporation based hybrid battery thermal management system for electric vehicles using discrete phase model approach

　　

**• 三维DPM模型模拟了电动汽车电池的蒸发式混合冷却。**
**• 收敛式冷却通道布局在λ为1.5、β为1.0时实现优化。**
**• 混合冷却在3C放电期间将电芯安全维持在热限以下。**
**• 水喷淋在热管理方面优于Novec 7000和FC-72。**
**• 混合布局取得了735.54的优秀热-水力性能指标。**

## 引言

各国政府正在实施各种政策、规范和战略指令，以促进全球范围内从内燃机（ICE）车辆向电动汽车（EV）的转型。这一转变旨在减轻温室气体排放，而温室气体是全球变暖和气候变化的重要贡献因素[1]。针对内燃机车辆碳排放的监管框架进一步凸显了将电动汽车整合到主流交通系统中的紧迫性。储能系统是电动汽车的核心功能，主要由电化学电池供电。其中，锂离子电池（Li-ion）由于其卓越的体积能量密度、低自放电率和较长的使用寿命，相较于其他电池类型被最广泛采用[2]，[3]。电动汽车可大致分为四种主要类型：混合动力电动汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）以及其他新兴新能源车辆。储能技术的发展推动了电池驱动汽车的发展，使其处于汽车行业创新的前沿。

在结构上，电动汽车由三个基本组件组成：动力源、电动机和电子控制系统。按照全球非化石燃料车辆发展的轨迹，电动汽车的动力源现已包括多种技术，如锂离子电池（LIB）、镍氢电池、燃料电池、铅酸电池和超级电容器。其中，锂离子电池因其优异的特性而尤为突出[4]。锂离子电池面临的主要挑战之一是，其最佳性能和寿命高度依赖于温度。研究表明，最佳工作温度在20 °C至40 °C之间，超出此范围可能导致性能下降和热不稳定风险增加[1]，[5]。超过这些热边界会导致电芯温度升高，引发一系列放热反应。这种级联效应最终可能导致热失控，这是一种危险的状况，其特征为温度不受控制地上升、结构损坏以及潜在的安全隐患。鉴于温度对锂离子电池性能和安全的至关重要影响，开发有效的电池热管理系统（BTMS）至关重要。此外，BTMS将在塑造电动汽车未来材料方面发挥重要作用，特别是相变材料（PCM）在锂离子电池热调控中的应用[4]，[5]，[6]。

在此领域中，软包或棱柱形电池比圆柱形电池更常用，因为前者允许冷却板采用更简单紧凑的结构[7]。BTMS通常采用常规或非冷却方法来调节锂离子电池的温度。常规方法主要包括风冷和液冷，因其相对简单且已证实有效。相比之下，非冷却方法融合了先进的技术，如热电（帕尔帖）冷却、相变材料（PCM）集成和热管冷却系统，这些技术在能效和热均匀性方面具有潜在优势[8]，[9]。风冷是BTMS中最简单的一种主动冷却技术，因其功耗低、设计轻便和易于实施而受到青睐。它通常用于热需求相对较低的轻型机动车。然而，这种方法比热容低且热导率有限，导致在高热负荷下散热不足[10]，[11]。关于电池排列的对比研究表明，对齐配置在热性能方面优于交错排列。具体而言，对齐结构促进了更均匀的气流和电池组中一致的散热，从而提高了温度均匀性[12]。

相变材料（PCM）被提出作为锂离子电池的有效被动热管理方案，通过在相变过程中吸收大量热能发挥作用。然而，许多有机PCM的热导率较低，这显著限制了其热性能。为克服这一限制，已开发出多种增强PCM热导率的技术，如掺入纳米颗粒、金属泡沫和导热金属翅片[13]，[14]。液体通常比空气具有更高的热导率和热容，这使得液冷通常更有效。然而，液冷需要循环系统，包括泵、管道和精心设计的流量控制系统。这使结构复杂化，系统设计中重量更重、成本更高且能耗更多。为克服风冷和液冷的局限性，混合冷却（HC）技术应运而生，通过集成多种BTMS来提高锂离子电池的效率和可靠性。其中一种方法是将增强风冷与液冷方法相结合。具体而言，在电池组中集成多个涡流发生器，可诱导进风气流产生湍流，从而提高对流传热速率。同时，采用液冷夹套进一步增强整体散热能力[15]。

还开发了集成亲水纤维以增强锂离子电池热管理的HC系统。这些系统利用毛细作用促进冷却液从储液器向电池组的输送。当冷却液在纤维中前进时，纤维中的水发生蒸发，随后与周围空气混合，增加了冷却液的湿度。水从液态变为气态的相变过程吸收了周围环境中的潜热，导致纤维和相邻空气的温度降低。这一机制有助于维持电池组的工作温度和温差[16]，[17]。基于蒸发冷却原理的BTMS被提出，其中环境空气作为主要冷却剂，在通过蒸发垫后进入电池组。同时，作为次要冷却剂的水被供给到蒸发垫上，并通过蒸发发生相变。在此过程中吸收的潜热显著降低了进风空气的温度。这一机制增强了系统的整体热调控能力[18]。

Juliana等人[19]对不同绒毛纱线结构的棉毛巾布料进行了对比研究，并报告了相应的材料和纱线特性。其中一种测试的毛巾布料样品显示出889%的静态吸湿能力，表明该布料可保留相当于其干重8.9倍的水量。该研究得出结论，多孔介质的吸湿行为受布料重量、厚度和绒毛纱线类型的影响。此外，多孔介质的初始润湿受一次和二次单向流共同控制。Sutheesh等人[20]提出了一种在冷凝段集成相变材料（PCM）、热管和强制对流的混合BTMS。仿真结果表明，将电池组从垂直重新定向为水平配置可使电池平均温度最大降低1.52 K。此外，在优化浓度下（垂直配置为14.78%，水平配置为9.11%）将纳米颗粒掺入PCM中，显著增强了冷却性能。

Wei等人[21]研究了一种创新的HC方法，旨在通过蒸发冷却改善散热。在该方法中，湿润的亲水纤维被策略性地布置在每个电芯周围的气流通道中。实验结果表明，与传统技术相比，整体冷却效率提高了20%，温度均匀性改善了56%。Saw等人[22]进行了数值研究，以评估喷雾冷却作为锂离子电池热管理策略的有效性。该研究展示了传统风冷与喷雾辅助冷却之间的对比分析。结果表明，使用3 m/s的风速可通过风冷将电芯温度维持在40 °C。值得注意的是，仅以2 m/s的显著更低风速配合0.37 g/s的喷雾流量，即可实现相当的热调控效果。这些发现突显了喷雾冷却在降低气流速率的同时实现高效热管理的潜力。

Weragoda等人[23]进行了实验研究，对比了基于毛细驱动蒸发冷却（CDEC）的BTMS与传统风冷及其他既有配置的热效率。实验装置采用铜泡沫与模拟电池表面接触，并评估了乙醇和Novec 7000两种工作流体的性能。结果表明，CDEC系统有效将最高电芯温度维持在约40 °C，尽管经历了50 W的连续热负荷20分钟的暴露，起始环境温度为20 °C。这一性能是通过部分湿润的单面冷却实现的，彰显了系统维持高效热控制的能力。然而，也发现了一个显著缺点：部分湿润条件导致表面温度梯度超过5 °C，损害了热均匀性。在另一项旨在改善HC系统性能的互补研究中，评估了各种纤维材料在增强冷却液输送和保留方面的适用性[17]。在测试的材料中，纸巾在水渗透方面表现最优，对于75 mm的纤维长度，其最小润湿时间仅为46秒。此外，其单位体积的持水能力比棉纤维高出40%，使其成为HC应用的高度优选候选材料。简单风冷（SAC）与HC系统的对比分析进一步凸显了HC配置的有效性。SAC系统从入口到出口的电芯温度呈渐进式升高，表明热均匀性差。相反，在1.06 m/s风速下，HC系统在整个放电循环中仅保持2 K的一致温度梯度。相比之下，SAC系统的温度波动范围为0.5 K至6.5 K，且随时间推移加剧。

Yang等人[24]设计了一种集成Z型并联液冷通道与复合相变材料（CPCM）的混合BTMS。通过将传统的连续流体循环替换为延迟冷却策略，该系统使泵的能耗降低了85%。同时保持了热稳定性，在3C放电下峰值温度被限制在约40 °C。Ling等人[25]探索了一种将复合PCM与强制空气对流集成的混合BTMS，用于18650锂离子电池模组在连续循环条件下的热管理。他们的发现表明，单独的被动PCM配置极易发生热饱和，在第三个连续放电循环时经常超过60 °C的热安全阈值。为应对这种累积热量产生，所提出的混合架构在电池充电阶段采用主动风冷。这一干预措施将PCM温度降至其相变点以下，成功恢复了其潜热吸收能力以供后续循环使用。集成CPCM与液冷的混合BTMS有效解决了单独热调控技术的局限性。例如，Jin等人[26]开发了一种利用液化石蜡进行温控的新型可填充冷板。他们的研究发现，在三个连续的1.5C放电循环中，峰值温度和温度梯度均维持在最优阈值内。此外，主动液冷机制仅在总放电时长的40%内被需要，大幅降低了系统的整体能耗。

Youssef等人[27]开发了一种基于蒸发冷却的BTMS，采用湿润的黄麻纤维作为蒸发介质。该系统性能通过检查三种冷却策略下的最高电芯温度（Tmax）和温度均匀度来评估：自然空气对流、强制空气对流和蒸发冷却。对比分析显示，加入湿润黄麻纤维显著增强了风冷系统的冷却能力，导致更低的峰值电芯温度、更小的温度梯度（ΔT），以及电池电芯中更均匀的温度分布。在电池热管理的一项显著进展中，Zhang等人[28]提出了一种在电池表面直接形成液膜的蒸发冷却模型。其数值分析表明，该配置显著优于传统风冷系统，能效提高了多达76.7%，同时增强了空间温度均匀性。Weragoda等人[29]提出了一种毛细驱动蒸发冷却（CDEC）系统，用于圆柱形电池电芯的直接表面冷却。该系统采用多孔烧结铝吸液芯包裹模拟电芯的实验装置进行了评估，并采用SF33和Novec 7000作为低沸点工作流体。

CDEC系统在每电芯10 W的持续热负荷下，将平均电芯表面温度维持在40 °C以下，同时将模组内的最大温度梯度控制在5 °C以内。此外，该系统实现了约1.5 K/W的较低总热阻，证明了其在增强电池热管理应用中散热性能和热均匀性方面的有效性。Wei等人[30]实验研究了一种用于锂离子电池的混合对流-蒸发冷却策略，从单个电芯逐步扩展到电池组级配置。该系统利用具有高导热性的亲水纤维材料作为基于水的对流和蒸发冷却介质。研究了纤维在直接接触和无接触配置下的放置方式的影响，纤维结构完全暴露于管道气流中。与无冷却、风冷和水冷条件进行的实验对比表明，混合冷却方法具有优越的热性能，冷却效率分别达到83%、70%和57%。尽管已有大量研究采用传统的SAC和液冷技术来探索电池热管理，但在现实的高C率放电条件下，对热性能和液压损失的综合评估仍然有限。特别是，很少有研究采用集成的热液指标，如品质因数（FOM），来同时评估传热增强和流动阻力。此外，针对高功率锂离子电池的混合蒸发-风冷仍然研究不足，尤其是关于不同冷却液流速和环境温度下其对温度演变和压力降的影响。本研究通过实验和解析方法，在宽操作范围内对SAC和HC配置进行了比较，将潜热和显热传递机制都纳入了性能评估中。所提出的系统将上游的蒸发风冷与收敛通道相结合，并系统评估了热性能和热液性能，包括通道几何形状、放电率、入口流速、环境温度和工质选择的影响。这项工作不仅量化了HC在冷却能力和减少液压损失方面的相对优势，还阐明了放电率、环境温度和冷却液流速之间的耦合作用，从而为优化下一代电动车辆和高功率应用中的电池冷却系统提供了一个新颖的基于物理的框架。本研究采用方法首先通过模拟研究5C放电、2 m/s入口流速和298 K环境温度下几何变化的影响，并确定了SAC和HC配置的优化几何形状。在5C和3C放电率下、入口流速从2 m/s到5 m/s的条件下，对SAC和HC配置进行了模拟，以了解放电和流体动力学条件对热性能和热液性能的影响。进行参数模拟以研究HC系统中不同工质与空气的配合以及环境条件的影响。其创新之处在于对多参数下热性能和热液性能的综合分析，在收敛通道中对HC和SAC配置在峰值电芯温度、温度均匀性、压力降和品质因数方面进行了定量比较。这些发现为电动汽车中高功率棱柱形LIB应用的实用、高效且可扩展的HC BTMS设计奠定了基础。章节片段**物理系统**本研究提出的BTMS由八个棱柱形锂离子电池组成，排列成两层，每排包含四个电芯。每个棱柱形电芯的尺寸为118 mm × 63 mm × 6.5 mm。电芯放置在由5 mm丙烯酸板制成的矩形收敛管道中，如图1中的示意图所示。丙烯酸管道还起到支撑电芯和维持系统结构完整性的作用。电芯之间的间距为10 mm，并配置为串联/并联的电路连接。**数学建模**所提出的电池组设计采用第一性原理进行数值建模。本节讨论了数值建模所采用的详细步骤。**数值求解**使用有限体积法（FVM）对控制方程进行数值求解，其中支配流体流动、传热和离散相传输的偏微分方程在控制体上离散化为代数形式。本节讨论了详细的设置。**结果与讨论**本节对所提出的BTMS在各种操作条件下的热性能和热液性能进行了全面分析。首先，研究了通道倾角参数（λ）和宽度参数β等几何参数对热性能的影响，并确定了通道的几何形状。随后，研究了放电率（C率）、入口空气流速和环境温度对电池组热响应的影响。**结论**本研究对收敛通道中八电芯棱柱形锂离子电池的BTMS进行了三维数值研究，采用了HC和SAC配置。主要结论如下：**收敛管道几何形状的确定：**•考虑了倾角参数（λ）和宽度参数（β），其范围分别为0到3.5和?1到+1，以模拟SAC的热性能和热液性能，从而建立收敛管道。**CRediT作者贡献声明**Sanchit Priyaranjan：撰写–原稿，验证，软件，正式分析，数据整理。P.M. Sutheesh：撰写–原稿，软件，项目管理，调查，数据整理，概念化。L.G. Kiran Kumar：监督，项目管理。Rohinikumar Bandaru：撰写–审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，调查，正式分析。**生成式人工智能及人工智能辅助技术在写作过程中的声明**在准备本作品过程中，作者使用了ChatGPT以提高可读性和语言表达。使用完该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物内容承担全部责任。**利益冲突声明**作者声明不存在已知的可能影响本论文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。Sanchit Priyaranjan|P.M. Sutheesh|L.G. Kiran Kumar|Rohinikumar Bandaru