《Next Energy》：Experimental and numerical investigation of Fe?O?-nanofluid cooling in copper-foam-embedded mini-channel jackets with geometry-dependent fins for prismatic battery packs
编辑推荐：
## 中文摘要
本研究对用于棱柱形锂离子电池组的Fe?O?纳米流体冷却泡沫铜微通道散热器构型进行了比较热评估。研究人员开展了实验研究，并结合三维欧拉双相计算流体动力学（CFD）模型，评估了六种冷却构型的热性能，包括传统液体冷却套（Model I）、泡沫铜嵌入设
## 中文摘要
本研究对用于棱柱形锂离子电池组的Fe?O?纳米流体冷却泡沫铜微通道散热器构型进行了比较热评估。研究人员开展了实验研究，并结合三维欧拉双相计算流体动力学（CFD）模型，评估了六种冷却构型的热性能，包括传统液体冷却套（Model I）、泡沫铜嵌入设计（Model II）、优化冷却模式（Model III）以及具有直翅片、波浪翅片和弯曲翅片的翅片增强泡沫铜结构（Models IV–VI）。结果表明，嵌入泡沫铜通过提高导热系数和固–液界面面积，显著增强了散热能力和温度均匀性。在低放电倍率（1?C）下，热性能提升较为温和，峰值温度相较于基线降低约1–3%。然而，在3?C倍率下，Model V在翅片增强构型中表现出最佳热性能，实现了最低的最高温度39.83 °C和最小的温差9.39 °C。研究结果强调，多孔介质集成与翅片几何优化的耦合结构改性在改善热性能方面发挥关键作用，尤其是在高负荷条件下。这些结果为高功率、快速充电应用中的先进液冷电池热管理系统提供了设计指南。
## 论文解读
### 研究背景与意义
锂离子电池在电动汽车和便携式电子设备领域应用日益广泛，其最佳工作温度范围为20–40 ℃，且要求电芯间温度差异最小化。温度过高或分布不均将导致电池性能下降、寿命缩短，甚至引发安全隐患。电池热管理系统（BTMS）按冷却方式可分为被动式、主动式和混合式三类。被动式相变材料（PCM）系统能够吸收瞬态热量，但在持续热负荷下性能受限；主动式液冷系统可提供有效的散热和温度均匀性，但会增加泵功消耗、系统重量和泄漏风险；混合系统则结合了多种冷却方式的优势。当前研究背景下，空气冷却虽结构简单、成本低廉，但在高倍率放电条件下散热能力受限；液冷系统具有高热移除能力和良好的温度均匀性，适用于高功率电池组；PCM冷却依赖相变潜热，但受限于低导热系数和有限蓄热能力；浸没冷却散热均匀但需专用介电液体；热管/热虹吸管具有被动传热优势，但在极端热负荷下可能不足。已有研究对纳米流体冷却、多孔金属结构、冷却通道拓扑和翅片优化大多分别独立开展，这些策略对棱柱形锂离子电池组热性能的耦合效应尚缺乏系统理解，尤其是Fe?O?纳米流体冷却与多孔泡沫铜及不同翅片几何在可比工况下的协同作用研究不足。此外，关于厚度方向温度分布、空间热均匀性以及数值模型的实验验证数据有限。因此，本研究开发并验证了实验–CFD联合框架，在可比运行条件下系统比较六种冷却构型，探讨冷却液流速、泡沫铜形态、冷却套布局和翅片拓扑对峰值温度和热不均匀性的抑制效果，为高功率和快速充电应用的紧凑型液冷电池系统提供定量设计指导。
### 研究内容与方法
研究人员制备了浓度为0.02 vol%的Fe?O?纳米流体，采用超声波浴分散Fe?O?纳米颗粒于去离子水中，并添加SDS或PVP改善分散性和沉降性。通过紫外-可见分光光度计评估纳米流体的颗粒浓度、分散性和聚集状态，两天测量吸光度差异为1.03%。纳米流体热物性参数通过经验关联式计算，包括粘度、导热系数、密度和热容量，计算结果与实验数据偏差小于5.8%。实验中未施加外部磁场，Fe?O?悬浮液被建模为具有实验确定有效热物性的被动纳米流体。实验装置包括直流泵驱动的冷却循环回路、流量计、数据记录仪、充放电控制系统、热交换器和超声波浴。十二个T型热电偶布置在电池组的阳极和阴极侧，分L、M、R三个区域监测温度分布。实验采用磷酸铁锂（LiFePO?）棱柱形电池，标称容量50 Ah，标称电压3.2 V，十二节电池串联提供38.4 V电压。数值模拟基于三维欧拉双相流模型，考虑连续性方程、动量方程和能量方程，涵盖拖曳力、虚拟质量力、碰撞力以及颗粒–流体间传热。采用具有铜泡沫的六种冷却构型：Model I为无泡沫铜的传统液冷套，Model II为泡沫铜嵌入设计，Model III为优化冷却模式，Models IV–VI分别为直翅片、波浪翅片和弯曲翅片的翅片增强泡沫铜结构。研究在1 C、2 C、3 C和4 C放电倍率下进行评估，使用了273万网格单元进行网格独立性验证。样本来源为泰国Srinakharinwirot大学机械工程系实验室规模的电池组测试平台。
### 主要研究结果
**4.1 实验数据与预测结果的对比**
在无金属泡沫层条件下，L、M和R三个区域的平均电池温度预测值分别为30.06 ℃、30.08 ℃和27.39 ℃，实测值分别为28.54 ℃、29.73 ℃和28.23 ℃，相应百分比误差为5.33%、3.63%和2.98%，显示数值模型与实验数据良好吻合。差异主要源于建模假设、材料物性不确定性及实验约束，整体偏差在可接受的约6%以内。
**4.2 泡沫铜对温度分布的影响**
在1 C放电倍率下，Model II相比Model I显示出更均匀的温度分布和略低的最高温度（约30.20 ℃对比30.50 ℃）。泡沫铜的高导热性实现了更均匀的热量分布，减少了局部热点形成，增强了相邻电芯间的横向热扩展，降低了峰值温度和电芯间温度梯度。泡沫铜的多孔结构增大了固–液有效接触面积，通过微尺度湍流和局部混合减薄了热边界层，同时形成多条平行传热路径，降低了冷却液与电池电芯间的总热阻。
**4.3 冷却液流速对温度分布的影响**
在1 C放电倍率下，Model II的冷却液流速从0.2 m/s增至0.6 m/s时，最高温度显著降低且温度场更均匀，0.6 m/s时电池组整体温度基本保持在28 ℃以下。流速增加提高了雷诺数和强制对流换热系数，减薄了泡沫铜表面及冷却通道内的热边界层，增强了单位时间内冷却液携热能力，维持了电池表面与冷却液间的驱动温差。
**4.4 泡沫铜孔隙率对温度分布的影响**
在1 C放电倍率下，Model II的泡沫铜孔隙率从0.60增至0.98时，冷却套和电池电芯的整体温度显著降低且均匀性改善。高孔隙率泡沫铜提供更大、更连通的孔隙，降低了流动阻力，消除了滞留区，同时保持足够高的固–液界面面积增强对流换热。虽然高孔隙率减少了固体体积分数，但剩余铜网络的高导热性仍可实现从电池高温区域到低温区域的充分横向热传递。
**4.5 冷却套模式对温度分布的影响**
在1 C放电倍率下，Model III的电池组展现出均匀的温度分布，最高温度约29.50 ℃，显著低于Model II的约30.50 ℃。优化冷却模式实现了冷却液更均匀分配，减少死区和旁通流，增强了混合和二次流，有效破除热边界层，保持了沿流动方向的有利温度梯度，提高了有效换热面积。
**4.6 放电倍率对温度分布的影响**
随放电倍率从0.5 C增至5 C，Model III电池温度急剧升高，5 C时最高温度超过45 ℃。较高C倍率导致焦耳热（I2R损耗）、活化过电位损耗和浓差极化增加，产热率超过热扩散和冷却液热移除能力，热均匀性受损，中心区域形成热点。低C倍率下产热可忽略，冷却系统能有效维持低而均匀的温度。
**4.7 翅片构型对温度分布的影响**
在1 C和3 C放电倍率下对Models IV、V和VI进行了比较。1 C时三种构型热性能差异较小，Model V达到最低最高温度29.92 ℃，Model IV和VI分别为29.99 ℃和30.04 ℃；Models IV和V均呈现3.08 ℃的温差，Model VI略高为3.16 ℃。3 C时Model V表现出最佳热性能，最低最高温度为39.83 ℃，最小温差为9.39 ℃；Model IV和VI的最高温度分别为40.04 ℃和40.19 ℃，温差分别为9.43 ℃和9.68 ℃。波浪翅片设计通过重复波动破坏边界层，增强湍流和流体混合，在更高热负荷下维持传热有效性的能力更为突出。
**4.8 冷却性能增强对比**
与基线Model I相比，1 C放电倍率下Model II和Model III的最高温度分别降低0.98%和3.28%。3 C下Model V在翅片增强构型中表现最佳。研究揭示了峰值温度抑制与温度均匀性之间的内在权衡，指出最优热管理设计应同时考虑多个性能标准。
### 讨论与结论
**讨论部分**：研究主要局限在于评估集中于热场特性，未测量压降、流阻和泵功，因此报告的改善仅代表热优势而非整体热液力最优性。Fe?O?纳米流体采用双相欧拉方法进行数值表征，虽与实验一致但可能无法完全解析纳米颗粒团聚、沉降和长期稳定性等微观现象。研究仅考察了一种纳米颗粒浓度，未能建立浓度与泡沫铜/翅片几何之间的广义耦合关系。被动纳米流体冷却未涉及主动磁调控，磁場强度、方向和梯度对颗粒迁移和热磁对流的影响有待探索。电池热源以均匀体积产热率表示，未考虑电流密度、局部荷电状态和温度依赖性电化学动力学引起的空间非均匀和瞬态产热。实验室规模电池组需要进一步扩展到全尺寸电动汽车电池系统验证。
**研究结论**：本研究采用实验与数值相结合的方法，系统研究了用于棱柱形锂离子电池组的Fe?O?纳米流体冷却泡沫铜微通道散热器构型的热性能。结果证实，嵌入泡沫铜通过改善热扩展和增强固–液相互作用显著提高了散热效率和温度均匀性。在所研究的翅片增强构型中，Model V在3 C放电倍率下实现最佳热性能，最低最高温度为39.83 ℃，最小温差为9.39 ℃；Model IV和VI的最高温度分别为40.04 ℃和40.19 ℃，温差分别为9.43 ℃和9.68 ℃。因此，Model V被确定为所研究条件下热性能最优构型，该排名仅基于温度指标，因为压降和泵功未纳入评估。热性能提升在高放电倍率下更为显著，凸显了结构增强在升高热负荷下的重要性。研究结果揭示了峰值温度抑制与温度均匀性之间的基本权衡，表明最优电池热管理设计应考虑多个性能标准而非单一指标。虽然本研究聚焦于热场性能，但结果明确展示了Fe?O?纳米流体冷却、泡沫铜多孔结构和优化翅片几何相结合在增强电池热管理方面的有效性。
