通过创新冷却结构提升软包锂离子电池性能

《International Journal of Thermal Sciences》：Improving performance of pouch lithium-ion batteries through novel cooling configurations

　　

## 摘要

电动汽车的快速增长使有效的热管理变得至关重要。尽管液冷技术已得到广泛应用，但仍需要先进的传热强化技术来降低峰值温度并确保温度均匀性。本研究通过针对纵向、分支、特斯拉阀和多特斯拉阀冷却通道这四种创新冷却配置进行非稳态模拟，解决了软包锂离子电池热管理中的关键问题。数值模型已通过实验数据进行验证，确认了其可靠性。测试在湍流条件下进行，雷诺数范围为8400至15400。结果表明，先进的冷却剂几何形状具有显著的热水力学优势，包括增强的传热和改善的温度均匀性。与纵向通道相比，分支通道、特斯拉阀形状和多特斯拉阀的温度降低幅度分别达到1.20%、1.75%和2.62%。努塞尔数分别提高18.81%、32.67%和37.62%。与纵向通道相比，摩擦系数在分支冷却通道中上升76.47%，特斯拉阀形状中上升41.18%，多特斯拉阀中上升23.53%。整体性能评估标准值在分支形状中为0.55至1.10，特斯拉阀配置中为0.60至1.25，多特斯拉阀中为0.64至1.30，证实了随着几何复杂度的增加，热液效率不断提高。观察到冷却效果、温度均匀性和热梯度抑制方面的显著提升，为设计更安全、更可靠、更高性能的软包锂离子电池系统提供了实用指导，适用于可穿戴电子设备。

## 引言

软包型锂离子电池（Li-ion电池）凭借其超薄外形和贴合人体的能力，已成为下一代可穿戴和柔性电子设备的前景广阔的电源。这些特性使其非常适合用于医疗传感器和软体机器人等应用[1]。然而，软包电池与皮肤的紧密接触对其热安全性和运行稳定性提出了严格要求[2,3]。即使是中等程度的温度升高也会降低用户舒适度、加速电池退化，在极端情况下可能带来值得注意的安全风险[4,5]。因此，实现有效的热管理对于确保软包锂离子电池在实际应用中确保持续可靠性、寿命和安全采用至关重要[6,7]。

Ji等人[8]指出，锂离子电池是电动汽车性能的核心，使快速高效的充电变得必不可少。Liu等人[9]评估了一种使用基础流体和纳米流体的微型通道冷却系统。水的冷却效果最佳，但纳米粒子对于低导热性流体（如发动机油）的益处最大。纳米粒子降低了峰值电池温度，但对温度均匀性的改善作用有限[10]。更高的颗粒体积分数在增加功耗的情况下进一步增强了冷却效果。流速和进口温度对整体热性能有强烈影响。

经验证的三维电化学模型和粒子群优化揭示了集流体类型、长宽比和集流体位置如何影响锂沉积的起始[11]。最优结构显著延迟了锂沉积，延迟幅度分别为28.6%（常规类型）、30.9%（反向类型）和42.2%（L形类型）。差异主要来自表现不佳的LT设计。改进的结构也增强了沉积均匀性。敏感性分析确定集流体位置是主导因素，为设计具有更优快速充电能力的电池提供了指导。

Yuan等人[12]提出了一种针对软包锂离子电池的高效热建模框架，在准确性和计算成本之间取得平衡。通过将基于POD的热模式提取与热功率映射策略和广义回归神经网络替代建模相结合，该方法能够在不同操作条件下实现快速、精确的温度预测。定义了理论适用性标准以确定有效范围，扩展策略提高了对多电池系统的适应性，支持高效的电池热管理和以安全为导向的设计。

Faizan和Munteshari[13]通过Reuleaux截面的收敛扭曲通道，建立了结合PCM与三元混合纳米流体冷却的混合BTMS的有效性。所提出的系统降低了最大电池温度，改善了温度均匀性，并延迟了高放电速率下的PCM熔化。增强的对流传热和交替流操作促成了卓越的热性能，为更高可靠性和更高性能提供了有前景的解决方案。

Khoshvaght-Aliabadi等人[14]在相同操作条件下比较了十三种进出口布局四种非均匀间距模式。I型布局实现了最大的热均匀性，而优化间距增强了冷却效果，T2 DEC-INC配置将最大温差降低了48.78%。

Maitra等人[15]引入了一种增强的NTGK模型来预测1C至5C和273至313 K条件下的端电压、电导和热量产生。通过引入C-rate相关的电导项，该模型在广泛的运行条件下提高了精度。在ANSYS Fluent中实现并通过A123 LFP软包电池的大量环境舱实验验证，该模型表现出 excellent 的一致性，误差小于6%。这种增强扩展了NTGK的适用范围，特别是在极端C-rate和低温条件下。

Eze等人[16]开发了一种耦合电化学-热模型来估计圆柱形锂离子电池的性能，重点关注特斯拉的4680电池。结果显示了电气性能的提升，但由于散热有限导致的热风险更高。在变化条件下的比较分析表明，4680电池尽管产热相似，但经历更高的温度。电池热管理评估表明，增强的径向热导率和顶底联合冷却最为有效。

Sheikholeslami等人[17]考察了使用4种微型通道设计（光滑、沟槽、齿形和翅片）与水/Fe3O4-SWMCT混合纳米流体进行锂离子电池组冷却的情况。经验证的基于传导的模型显示纳米粒子在通道附近表现出略低的温度和改善的均匀性。翅片几何结构表现最佳，其Nu为平直管道的5倍，最佳性能值为2.62，而齿形设计表现最差。研究结果强调了几何形状和冷却液成分对更安全、更持久电池的关键作用。

Mokashi等人[18]分析了由25种跨五个类别的流体冷却的Li-ion电池组的平均Nu，包括气体、热油、液态金属和纳米流体等，并考虑了电池组-冷却剂接触处相关的传热。使用单层和多层前馈ANN及多反向传播（MBP），研究表明温度分布受导热系数比（Cr）的强烈影响，而Nu主要受Prandtl数（Pr）和Re的影响。纳米流体表现出更优的传热性能，MBP模型可可靠地预测Nu。

Huang等人[19]引入了一种受流线型启发的微型通道冷却板，用于电动汽车的Li-ion电池热管理。流线型设计降低了流阻，同时保持了有效的热交换，换热器效率提高达44.52%。结果表明，采用流线型微型通道是改善电动汽车应用中电池寿命、效率和整体热性能的一种有前景的方法。

Sarchami等人[20]证明所提出的阶梯-波浪形液冷系统改善了锂离子电池热管理。与去离子水相比，使用2%的Al2O3纳米流体将峰值温度降低了1.2°C，温差降低了0.4°C。增加冷却液流速改善了冷却效果。此外，阶梯通道设计在放电过程中将温度不均匀性降低了0.19°C，充电过程中降低了0.22°C，优于传统直通道配置，确保了改善的热稳定性。

Jarrett和Kim[21]使用CFD优化了用于电动汽车电池堆的蛇形通道冷却板。通过改变通道几何形状（如宽度和位置）来评估压降、平均温度和温度均匀性。结果表明，单一设计可以有效平衡压力和平均温度目标，但代价是温度均匀性降低。研究结果强调了冷却板设计中的权衡，突出了几何优化对高能量电池高效热管理的重要性。

Xu等人[22]建议了一种用于降低最高温差的优化框架。比较分析表明，蛇形通道优于U形设计。使用自适应代理粒子群优化，优化后的蛇形通道将温差降低了7.49%，实现了更均匀的温场，并为电池液冷设计提供了指导。

Wu等人[23]建立了使用NOVEC 7000的沸腾冷却热管理方案，针对20-Ah LiFePO4电池以缓解温度尖峰和梯度。静态沸腾冷却在4°C放电下降低了峰值温度并改善了均匀性。流动模式操作稳定了循环温度，但在高流速下引起底部-集流体梯度。间歇流动模式克服了这些限制，将峰值温度限制在36°C以下，温差控制在2°C以下，同时需要较低的泵功率并利用潜热驱动的传热过程效率。

Sen等人[24]观察到一种混合电池热管理方案，将横向PCM层与垂直液冷通道集成。对于锂离子电池软包模块，7 mm PCM层提供了最佳调节，显著限制了平均温度和最高温度。较低的冷却液进口温度进一步增强了性能。通过结合潜热吸收与强制对流，该混合系统与传统液冷相比，峰值温度降低最多达73%，同时将模块内温度不均匀性控制在5°C以内。

Alzwayi和Paul[25]评估了带有螺旋翅片的纵向风冷系统，用于21700圆柱形电池模块，以低成本改善传热。模拟显示在层流条件下、放电速率低于1.0°C和30°C环境温度下实现了有效的热控制。优化翅片位置、螺旋长度和圈数可将温升控制在0.95°C。五个螺旋圈提供了最佳性能，降低了峰值温度和不均匀性，而增加圈数会降低热一致性。

Gao等人[26]提出了一种创新的液态浸没电池冷却系统，结合仿生鱼形导流板以增强冷却效果同时降低泵送成本。数值和实验结果显示出高度一致。与传统设计相比，鱼形导流板降低了最大电池温度和泵功率消耗，同时保持了良好的温度均匀性。优化后的系统综合性能因子提高最多达39.3%，展示了在实际电池热管理应用中巨大的潜力。

Jang等人[27]评估了在不同放电速率、环境条件和非均匀产热下基于热管的电池热管理系统。与铝板和对流相比，热管降低了平均和最高温度并改善了温度均匀性。热管在循环操作中保持稳定的热性能，并缓解了非均匀加热的不利影响。在恶劣操作条件下，电池寿命实现了高达41%的标准化热性能提升和更小的寿命周期退化。

He等人[28]研究了考虑非均匀产热的软包锂离子电池液态热管理。使用耦合电化学和热建模评估了四种冷却板设计，并由实验和模拟提供支持。结果表明冷却液进口温度对流量的影响强于对冷却性能的影响。

Borges等人[29]证明基于气体的诊断方法为LFP软包锂离子电池热失控的初始检测提供了有效途径。更大容量的电池表现出延迟的热失控起始，但释放的气体体积显著更大，增加了相关危害。甲烷被确定为最早的指示气体，而TDLAS和NDIR传感器可在失效前300-700秒检测到，突显了其在先进电池安全监测系统中的巨大潜力。

Jiang等人[30]建立了一种将涡流发生器与风冷结合的方案，增强了电池热管理性能。矩形翼型对提供了最高的温度降低效果，而七排布置实现了最佳的涡流连续性和传热增强。所提出的形状尽管增加了流阻，但仍改善了冷却效果，取得了1.26的最大综合性能系数，为先进电池冷却应用提供了一种实用高效的解决方案。

Khoshvaght-Aliabadi等人[31]提出超临界二氧化碳（SCO2）作为冷板式热管理的一种先进冷却剂，使用四种创新的蛇形管配置。优化后的设计实现了目标冷却和改善的温度控制，同时降低了泵功率。在拟临界区域附近运行增强了性能，7.5 MPa被确定为最佳压力。与传统冷却剂相比，基于SCO2的系统在所需泵功率更低的情况下将吸热量提高了最多23.5%。

尽管电池化学和包装方面取得了进展，但软包锂离子电池的热挑战依然显著。其超薄几何结构限制了散热路径，而常见可穿戴封装材料的低热导率进一步限制了冷却效率。充放电循环中的非均匀产热可能产生持续的热热点，加速SEI增长、电极退化和电解液分解。现有的被动解决方案，如导热基板或热扩散薄膜，仅提供有限的改善，在高功率或持续运行条件下力不从心。现有研究提供了有用的基础，但忽略了高级微型通道设计可能带来的巨大提升及其对高容量电池瞬态散热的影响。

本研究通过非稳态三维ANSYS FLUENT仿真填补了该空白，提供了详细的水热分析洞察和实用的冷却设计指导，以改善电池的安全性、性能和使用寿命。为了克服这些局限性，针对软包电芯结构的创新冷却配置正受到越来越多的关注。纵向冷却通道（LCP）、分支冷却通道（BCP）、特斯拉阀冷却通道（TVCP）和多特斯拉阀冷却通道（MTVCP）等配置在温度控制和热量分布方面展现了令人鼓舞的增强效果。本研究通过在多种条件下考察温度演化、热均匀性和梯度抑制来评估这些先进冷却策略。研究结果有助于为可穿戴应用识别最优配置，并支持开发更安全、更高性能的软包电池系统。章节片段 数值研究 该部分考察了软包锂离子电池冷却通道的网格创建、物理域和模型验证。 结果与讨论 图7研究了LCP、BCP、TVCP和MTVCP等冷却通道配置的温度随时间变化情况。在1800秒时，LCP、BCP、TVCP和MTVCP的最高温度分别为309.2 K、305.5 K、303.8 K和301.1 K。以LCP为基准，这些配置分别对应1.20%、1.75%和2.62%的降温增强效果。这些改进凸显了随着流动混合和边界层发展，对流散热效果逐渐提升的趋势。结论 本研究通过针对LCP、BCP、TVCP和MTVCP配置进行非稳态三维ANSYS FLUENT仿真，填补了软包电芯热管理方面的空白。模型经过验证和确认，其可靠性得到证实。湍流区域的雷诺数从8400变化至15400。结果可总结为以下几点： • 与LCP相比，BCP、TVCP和MTVCP的降温增强效果分别为1.20%、1.75%和2.62%。 • 努塞尔数（Nu）表现出18.81%、32.67%和……的增强效果 CRediT作者贡献声明 Ahmad Aljabr：撰写——原始草稿，资源，形式分析，概念构思。 Mohammed F. Allehyani：撰写——原始草稿，软件，方法论，形式分析。 Husam S. Samkari：撰写——审稿与编辑，验证，监督，调查。 Moaz Al-lehaibi：撰写——审稿与编辑，软件，调查，数据整理。 S.A. Marzouk：撰写——原始草稿，资源，项目管理，调查。 Khalid Aljohani：监督，资金获取，形式声明 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道工作的竞争性经济利益或个人关系。 致谢 作者感谢沙特阿拉伯教育部研究与创新副部通过项目编号（IFP-2022-2026-394）对本研究工作提供的资金支持。 Ahmad Aljabr | Mohammed F. Allehyani | Husam S. Samkari | Moaz Al-lehaibi | S.A. Marzouk | Khalid Aljohani | Bassam S. Aljohani