基于空气射流冲击结合复合相变材料的电池热管理性能研究

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Performance investigation of air jet impingement-based battery thermal management with composite phase change material

　　

摘要电池热管理系统对于高能量密度锂离子电池模块的安全高效运行至关重要。本研究开发了一种基于空气射流冲击的混合电池热管理系统，以改善散热并降低系统成本。研究了不同射流阵列配置下 4 × 4 锂离子电池模块的热性能。与参考工况相比，在 1C、2C 和 3C 放电率下，4 × 4 射流阵列下的正极温度分别降低了 5.48 K、6.38 K 和 9.24 K，而预测的最大电芯间温差仅为 0.41 K。进一步的响应面分析表明，质量流量主导了平均模块温度的降低，而射流阵列配置对温度均匀性的影响更强。4 × 4 射流阵列通过平衡射流覆盖率和流场干扰，表现出最佳的总体热一致性。此外，基于表 S10 中列出的关键部件采购成本，该原型尺度的系统相对于液冷复合相变材料系统，热管理部件成本降低了约 31%。结果表明，所提出的基于空气射流冲击的混合热管理系统为锂离子电池冷却提供了一种有效且经济高效的策略。

引言全球电动汽车（EV）市场正在迅速扩张 [1]。锂离子电池（LIBs）约占纯电动汽车全生命周期碳排放的 40% [2]。因此，必须仔细管理电池产热以确保电动汽车的安全运行。电池热管理系统（BTMSs）对于降低电池温度、改善温度均匀性以及在需要时提供电池加热至关重要 [3,4]。BTMS 技术通常可分为主动冷却和被动冷却方法 [5,6]。风冷和液冷是典型的主动冷却方法，需要消耗额外能量，而热管冷却和相变材料（PCM）冷却通常被视为基于相变储热的被动冷却方法。在这些方法中，PCM 冷却因其高能量密度和节能特性而引起了广泛关注 [[7], [8], [9], [10], [11]]。Ebrahim 等人 [12] 发现，在石蜡中添加气凝胶可使热导率提高多达 150%，达到 0.92 W/(m·K)。他们对 BTMS 性能的调查表明，PCM 可以将电池温度保持在 15–35 °C 范围内，这对于优化功率输出和最小化热失控风险至关重要。Lin 等人 [13] 开发了一种新型气凝胶 CNT@MXene 材料用于冷却锂离子电池模块，并成功降低了电池老化率，分别在 4C、3C 和 2C 倍率下将电池寿命延长了 28.13%、18.92% 和 11.83%。然而，基于 PCM 的 BTMS 仍存在一些局限性，如散热能力有限和环境适应性差。因此，本研究旨在开发一种基于 PCM 的 BTMS，结合具有成本效益的空气射流冲击技术，该技术具有较高的传热系数。

目前的研究已成功通过混合冷却系统改善了散热性能。在 PCM/液冷领域，Li 等人 [14] 用 PCM 填充蜂窝翅片，并在锂离子电池模块两侧放置液冷板和热解石墨蜂窝翅片。与传统蛇形冷板冷却相比，这种新型冷却方法显著改善了冷却效果，分别降低了最大温度、最大温差和压降 5.32 K、6.82 K 和 462.94 Pa。Zhou 等人 [15] 开发了一种用于锂离子电池热管理的新型水基直接接触冷却（WDC）系统，其中介电流体被电池表面的绝缘涂层取代，从而能够使用水基冷却液。在快速充放电循环和动态应力测试条件下，该系统保持电池最高温度低于 35 °C，并将温差限制在 4 °C 以内。与传统非接触式冷却系统相比，它实现了最大温度降低 20.88% 和压降降低 79.78%。Pu 等人 [16] 设计了一种在蜂窝结构中集成 PCM 和液冷的 BTMS，并发现 PCM 几何形状显著影响压降和整体 BTMS 性能。Zonouzi 等人 [17] 通过将螺旋管液冷与 PCM 集成，有效地将电池最高温度降低了 4.1 K，并证明了混合方法优于任何单一冷却方法，包括液冷复合相变材料（CPCM）冷却。Xu 等人 [18] 发现，液冷/CPCM 系统在连续 3C 充电和 4C 放电循环期间表现出卓越的性能。确定的最佳膨胀石墨含量和电池间距分别为 3% 和 3 mm。还研究了冷却液速度的影响，发现混合系统的最佳速度为 0.01 m/s。这些研究表明，混合冷却策略作为锂离子电池热管理的有效解决方案具有巨大潜力。

然而，液冷 CPCM 系统不可避免地涉及冷却液泄漏的风险，这可能会引入安全隐患。当电动汽车发生碰撞时，冷却液泄漏可能导致短路并最终引发电池火灾。因此，冷却液泄漏构成了冷却回路本身的故障模式，而在基于空气的系统中没有对应的故障模式。此外，液冷系统通常具有由各种阀门和冷却通道组成的复杂结构，导致高昂的维护成本 [[19], [20], [21], [22]]。具有成本效益的风冷方法曾经被广泛使用，但由于其相对较低的传热系数，已逐渐退出市场 [[23], [24], [25], [26], [27]]。Chen 等人 [28] 研究了在高倍率 3C 充电和 4C 放电条件下 PCM 厚度、翅片类型和气流速度的影响。他们的结果表明，带有风冷的 BTMS 的冷却性能降低了 59%。Wankhede 等人 [29] 研究了方程式学生电动汽车（FSEV）的锂离子电池组，并通过结合 CFD 仿真和实验验证，设计和优化了一种风冷热管理系统。该系统成功地在高放电条件下将电池温度保持在 30–40 K 的安全高效范围内，峰值温度仅为 41.28 K，平均仿真与实验偏差为 4.256%。

与液冷相比，风冷的传热系数较低；然而，它在安全性方面具有明显优势。大多数研究人员试图通过增加传热面积来提高风冷性能 [[30], [31], [32]]。在运行过程中，锂离子电池模块在正极侧附近的温度往往明显高于负极侧附近。尽管这种现象直接影响了电池的安全裕度和循环寿命，但经常被忽视。在本研究中，CPCM 冷却与高传热系数的空气射流冲击相结合，为传统风冷方法提供了新潜力，并为锂离子电池提供了协同热管理策略。空气射流冲击系统被引入电池正极侧上方。高速气流产生强烈的局部冷却效应，并迅速散发电池表面的热量。此外，冲击空气射流破坏热边界层并增强对流换热，从而确保电池表面热量的高效去除。这种双重冷却策略不仅延长了电池寿命，还提高了电池在高负载运行条件下的安全性和性能。

空气射流冲击已被应用于电池热管理，作为克服传统风冷低传热系数的一种手段。已报道的研究可根据冷却目标进行分类。第一组将单个射流或少数射流应用于单个电芯，这确立了局部传热特性，但未解决冷却如何在模块电芯之间分布的问题。第二组将槽式或阵列射流应用于方形和软包电芯，其平坦表面允许沿主要传热面排列射流。第三组将射流应用于圆柱形模块，其中曲面和电芯间隙使得阵列覆盖成为决定因素。在大多数这些研究中，射流被用作唯一的冷却机制，因此瞬态热负荷仅由气流承担，且据作者所知，在固定总空气供应下，喷嘴相对于电芯的数量和位置很少被视为设计变量。

结合射流冲击和相变材料的混合系统比上述讨论的液冷组合报道得较少，且据作者所知，已报道的案例大多局限于单个电芯或少数喷嘴，包括我们早期关于单个 21700 电芯通过射流结合相变材料冷却的研究 [33]。因此，对于圆柱形模块，仍有三个问题悬而未决。首先，当总空气供应固定时，射流阵列应如何相对于电芯布局排列，以便增加喷嘴不仅仅是降低每个射流携带的动量。第二，在放电过程中，主动射流冷却和被动潜热储存的各自贡献是什么。第三，哪个设计参数控制平均温度水平，哪个控制温度均匀性，因为这两个目标不对应相同的变量。目前的工作针对由 21700 电芯组成的 4 × 4 模块解决了这些问题。

章节摘要模型描述本研究主要研究松下 21700 圆柱形锂离子电池。电池电芯的参数列于表 S1 中。还研究了锂离子电池在运行过程中的动态温度特性和温度分布。在本文中，使用 Fluent 分析锂离子电池的热特性。建模时做出了以下假设。(1) 集总热物性参数代表电池内部的多层结构和多组件材料，

电池阵列条件下单孔射流冲击与阵列射流冲击冷却性能的比较本小节采用 3 × 3 电池排列。为了区分单孔和阵列射流冲击，使用了 2 × 2 阵列配置，入口速度为 10 m/s。在 3C 放电下，分析了中心电芯（电芯 5）和边缘电芯（电芯 1）的温度，喷嘴直径从 1 到 3 mm。图 2(a) 显示了不同射流布置下电芯 5 的温度分布，图 2(b) 显示了电芯 1 的轴向温度分布。单孔射流

结论本研究使用结合空气射流冲击和 CPCM 的混合热管理系统，调查了 4 × 4 松下 21700 锂离子电池模块的热性能。分析了空气质量流量、射流阵列配置和射流孔径对平均模块温度和电芯间温差的影响。主要结论如下。(1) 增加空气质量流量可有效增强电池模块的整体冷却性能。

CRediT 作者贡献声明 Yanqi Zhao：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，监督，资源，资金获取，形式分析，概念化。Changshun Yuan：写作 – 初稿，调查，形式分析，数据整理。WenJing Miao：写作 – 初稿。Jiaxin Ju：写作 – 初稿。Yulong Ding：写作 – 审查与编辑，监督，资源。

利益冲突声明我们想确认，与此出版物相关的已知利益冲突不存在，且对本工作没有可能影响其结果的显著财务支持。

我们确认，手稿已由所有署名作者阅读并批准，且没有其他符合作者资格但未列出的人。我们进一步确认，手稿中列出的作者顺序已获得我们所有人的批准。我们确认我们。

致谢本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52206253 和 52311530083）的资金支持。

Yanqi Zhao|Changshun Yuan|WenJing Miao|Jiaxin Ju|Yulong Ding

南京工业大学能源科学与工程学院，中国南京，211816