电池储能系统严格热控制的有效流道构型研究
2026-04-16 15:53:58 点击： 次
从化石燃料转向电动交通的日益增长趋势，主要源于减少有害排放的目标。由风能、太阳能等可再生能源驱动的电动汽车和电池储能系统，可实现完全碳中和运行。然而，充电时间长和续航里程有限仍是引发担忧的因素。此外，充放电过程存在安全阈值，因为产生的热量与工作电流水平成正比。文献研究已就锂离子电池的最佳工作温度范围达成共识，即15°C至35°C区间，该条件可确保更长循环寿命、更高性能表现及更低容量衰减率。本研究通过结合不同快充/快放倍率（最高达20A）下的实验现实，揭示了高效电池热管理系统的设计方法。利用实验装置与MATLAB Simulink HPPC测试采集电热数据，所获数据集已通过ANSYS Fluent中的数值策略进行验证。传统流道架构与基于赫斯-默里定律的流道架构已被分析，以确保在最佳工作温度范围内实现均匀散热。此外，每种设计方案均考虑了实测压降与所需泵送功率。研究结果表明，采用四分支赫斯-默里树冠状流道系统的综合性能最优，较等直径四分支树冠状系统提升约16.1%，相较于三回程蛇形流道系统的优势可达81.4%。
引言
近几十年来，碳排放量逐年上升已成为不争的事实，而这一增长的最大份额源自交通运输领域使用的化石燃料。日益上涨的燃料成本与化石能源的稀缺性正促使人类转向可再生能源。在此背景下，电动汽车与混合动力汽车的需求也持续攀升[1]。从根本而言，若这些车辆的能源需求能够通过地热、风能及太阳能等可再生能源满足，将为减少碳排放迈出切实步伐[2]。电动汽车所使用的电池将化学能直接转化为电能，不受内燃机中卡诺循环等限制条件约束。锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命、可回收性以及电热稳定性等优势，成为储能系统的首选方案[3][4]。电动汽车电池在电化学反应过程中会产生热量，这种热量积累可能导致电极层劣化、爆炸、容量衰减甚至热失控。热管理系统能安全有效地消散电池产生的过量热量，使电池单元维持在适宜温度区间。锂离子电池的工作温度范围较宽（-20°C至60°C），但其最佳工作温度应控制在15-35°C之间[5][6]。
大量文献提出了采用空气[7][8]、液体、两相冷却剂[9]、相变材料(PCM)[10][11][12]、热管[13]、热电材料[14]以及纳米流体[15]的热管理系统。从工业应用角度来看，由于液体冷却系统具有热稳定性高、比热容大及不可逆损失低等特性[16][17][18]，其在储能系统中占据主导地位。其中，乙二醇/水混合溶液因其凝固点较纯水更低[19]，被广泛用作冷却介质。在寒冷或零下环境中，水基冷却系统易发生冻结，导致流动阻塞和潜在的机械损伤。通过添加乙二醇可降低冰点，防止凝固并确保低温环境下的可靠运行[20]。此外，液冷系统与高导热性金属板集成，以增强电池模块/包内部的温度均匀性。Huang等[21]通过采用流线型和直形通道，重点优化了温度分布的均匀性。研究结果表明，流线型通道能有效降低冷却板间的压降。此外，他们指出流线成型通道的整体性能明显优于传统直通道模型。Subramanian等[22]探究了铝板嵌件对减重效果的影响，以及乙二醇-水混合溶液作为冷却剂的性能表现。研究表明，铝板具有约30%的铜密度和约60%的铜导热率，可视为减轻重量的合理材料选择。另一方面，与甘油和乙醇相比，乙二醇作为冷却剂在降低最高温度方面效果更佳。同样地，Ling等[23]通过设计优化来提升散热性能，研究了冷却板的设计参数，包括尺寸、位置、材质、厚度及流速等要素。本研究基于4×6圆柱形电池模块展开，在恒速恒压条件下进行了3C放电模拟。通过将电池与冷却板表面接触角分别设置为0°、45°、90°、135°和180°，观测其最高温度与最大温差。此外，对比分析了等对称、非等非对称、双侧对称及双侧非对称四种冷却板布局方案的散热性能。结果表明：双侧对称布局的冷却效果最优，而冷却板厚度对散热性能几乎不产生影响。
在液冷系统中，微型通道及各类新型流动结构已被广泛用于热力性能与水力性能的优化。Xie等[24]研究了采用4×8、4×16、4×32和4×48构型的圆柱形电池模块微型通道冷却板系统的热性能。结果表明：模型尺寸增大会对散热性能产生负面影响，但提高冷却速度可改善热量分布的均匀性。此外，在2.5 mm/s的流速下观察到温度波动显著降低，这一现象具有重要价值，因其可直接降低总能耗。另一项文献研究[25]针对冷却板形状与分叉起点设计了四种不同方案。通过综合评估重量、压降、温度分布及温升等参数，扳手形结构展现出最佳性能。研究结果表明，相较于平板设计，扳手形设计可实现20%的重量减负。88 wt%的浓度并将总压降从50.46 Pa降低至40.66 Pa。Rao等[26]通过在铝制区块表面构建不同面积，对圆柱形电池单体在多种风速条件（0.05 m/s、0.1 m/s、0.2 m/s及0.3 m/s）下进行了数值研究，结果表明当风速为0.05 m/s时系统温度可维持在40°C以下。另一方面，Sarchami等[27]系统记录了C倍率、氧化铝纳米颗粒浓度、入口流速及阶梯流道几何结构对充放电特性的影响。实验采用体积分数为1%和2%的氧化铝纳米粒子分散于去离子水中的纳米流体，研究显示冷却剂效率随氧化铝纳米粒子的添加而提升。研究结果表明，在高充放电工况下，随着体积分数增加，所需泵送功率也随之上升。Xiong等[28]探究了不同数量与形状针肋散热板的散热能力。研究采用圆形、等边三角形、正方形和椭圆形四种几何构型，配合4×8、4×6、3×6及3×4四种针肋排布方式构建夹层结构进行分析。该研究表明，三角形构型对散热性能的影响最小，而正方形构型展现出最佳散热效果。椭圆形构型的压力Drop显著高于其他几何形状，正方形构型则具有最低的压力Drop。类似地，Kong等[29]研究了采用直通道和发散形通道的传统冷板，以比较其散热能力和摩擦阻力。研究结果表明，增大发散横截面积可提升散热性能，但同时会降低流速。此外，增大入口面积能减少压降，但对最高温度与温差几乎无影响。采用双入口单出口的设计使总压降和最大温差分别降低了7.2%与20。1%。
尽管众多文献旨在仅模拟工业锂离子电池单体的电压趋势，本研究基于精确测量的时变电池特性，包括开路电压、内阻、局部电容-电阻、单体电压、最高温度以及最大温差。本文整合了传统实验电池表征、MATLAB Simulink混合脉冲功率特性(HPPC)测试与数值电池模拟(Fluent-ECM模型)，以开发满足工业电池储能系统(BESS)冷却需求的高效流动构型。通过热成像仪与热电偶监测目标电池的热行为，确保测量精度。基于瞬态实验获取的电学与热学数据集，本研究依据构形理论[30][31][32]和Hess-Murray定律[33][34]，在流体体积恒定的约束条件下，设计了蛇形流道与冠层互连流道结构。通过迭代优化设计，实现了不同流速工况下温度分布均匀性的提升与压降（Drop）的最小化。进一步地，在高达⁓4.5C的充放电倍率条件下，对所研究流道构型的性能进行了观测，以确保其满足最佳运行温度标准。