CAT蓄电池耦合涡流发生器增强传热的锂离子电池风冷热管理系统性能分析
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-04-08 17:54:07 点击： 次
引言
随着气候变化问题日益严峻，清洁能源的开发变得愈发重要，而锂离子电池在这一转型过程中发挥着关键作用[1]。近年来，锂离子电池发展迅速，因其高能量密度、优异的功率特性及较长使用寿命等优势，已成为电动汽车（EV）储能系统的首选技术方案[2]。尽管具备这些优势，锂离子电池即使在最佳工况下运行，也会不可避免地随时间推移发生老化现象[3]。电池容量受多种运行和环境因素的显著影响，其中温度是最关键变量[4]。鉴于锂离子电池具有显著的热敏感性——这构成了其最主要的热安全挑战——将其工作温度严格限制在允许范围内仍至关重要。因此，最高温度与温度均匀性成为评价电池热管理系统效能的核心指标[5]。不利的温度条件可能引发内部副反应，例如因内部溶解导致的自放电[6]或热失控，这些现象会严重危及安全性并造成不可逆的容量衰减，最终导致电池性能劣化[7]。
研究表明，锂离子电池在-10°C至50°C温度区间内可保持安全运行，但其最佳性能通常出现在15°C至35°C的较窄范围内[8]。此外，确保温度均匀分布同样至关重要，电池内部温差应控制在5°C以下。显著的温度梯度可能导致枝晶形成[9]、加速性能衰退[10]，并引发充放电过程中的失衡现象[11]。
过去十年间，随着减碳关注度的持续提升、电动汽车市场的快速扩张，以及对快速充电和更长续航里程需求的不断增长，锂离子电池温度控制的挑战日益严峻。因此，设计高效的电池热管理系统（BTMS）已成为保障稳定运行和优化性能的关键。研究人员已通过模拟和实验手段探索了多种BTMS设计方案。目前BTMS采用的冷却技术可分为主动式与被动式系统[12]。主动式热调控机制需要借助外部辅助设备驱动冷却剂循环，此类配置（尤其是风冷[13]与液冷架构[14]）在各类热管理策略中展现出广泛应用。相反，被动式散热技术利用特定材料的固有热物理属性来促进热量耗散，其中热管[15]与相变材料集成方案[16]最为突出。此外，研究人员还开发了混合冷却[17]架构，专门用于适应日益复杂的运行环境。
空气冷却系统通过风扇引导气流流经电池表面来实现散热[18]。当与液体冷却系统及混合系统并列对比时，空气冷却系统始终表现出冷却效率较低且热消散速率缓慢的特征。这些固有局限性主要源于大气气流本质上受限的比热容和欠佳的热导率，最终导致此类配置在极端电池工作条件下基本失效。该方法因其结构简单、成本低廉且易于维护[19]而被广泛采用，尤其在设计空间受限的电动汽车中更为突出[20]。当前关于空气冷却的研究主要集中于优化电池布局与气流分布[21]。
在布局优化方面，Chen等学者对并联风冷电池组进行了数值模拟，并提出了一种方法：扩大高温电芯周围的间距，同时缩小低温电芯的间距，并优化入口风速。该方法使电池组内部温差降低了29%[22]。Hasan团队通过数值模拟探究了电芯间距与雷诺数对冷却性能的影响，发现增大电芯间距可提升努塞尔数[23]。Fan等人评估了对齐式、交错式和偏移式电芯排列的性能，结果表明对齐式布局具有最优冷却效果，相较于其他排列方式可降低23%的能耗[24]。
在气流分布优化方面，Han等研究者将非均匀环形翅片集成至圆柱形电池组中以强化传热性能。该方案在2C放电倍率下使单体电池最高温度降低2.20°C，峰值温差减小82.38%，有效抑制了相邻电芯间的热失控传播[25]。Chen团队提出创新性流道布局，通过融合J型、U型与L型流道并收窄侧边宽度，相较传统J型设计实现67%以上的温差降幅[26]。Gao等在电池组后端增设导流板以抑制上游气流导致的积热现象，压力降显著降低6.2%，最高温度下降2.14℃，温差缩小49.2%[27]。Oyewola等学者在Z型电池阵列中嵌设挡板，系统研究了其布设方位、高度、厚度及数量参数，实验数据显示电池最高温度可降低2.65K。Shahid团队通过...采用计算流体力学(CFD)方法研究了进风口布局的影响，结果表明将进风口置于电池包顶部可提升热性能，使最高温度降低9%、温度均匀性提高39%[28]。Zhang等建立了风冷电池热管理系统(BTMS)的预测模型，对比分析了Z型、I型与U型流道设计。研究表明，U型流道温度波动最小，而I型流道冷却效率最高[29]。
尽管上述空气冷却热管理策略已取得显著进展，但许多早期研究要么无意中产生了过高的流动阻力，要么忽视了这一问题的重要性，从而破坏了传热强化与阻力损失影响之间的平衡。此外，由于热管理系统本身具有结构紧凑且复杂的特点[[30], [31], [32]]，过高的流动阻力无疑会加剧系统负担，损害安全性和可靠性。因此，在空间受限的系统中，如何在维持可控压降（Drop）的同时优化传热性能，仍是当前面临的关键挑战[33,34]。
涡流发生器(VGs)是一种被动式强化传热装置，其通过诱导二次流动产生作用。该机制会引发湍流并促进核心流与边界层之间的混合，从而增强对流传热。由于制造成本低廉且压降极小，VGs能在不显著增加能耗的前提下显著提升传热效率，这使其成为紧凑型换热应用的理想选择。因此，VGs在学术研究与工业应用领域均获得了广泛关注。
Wang等人对H型翅片中不同涡流发生器几何结构的整合进行了数值分析，旨在提升换热器的热性能。研究表明，梯形VG在低雷诺数下表现最佳，而矩形VG在高雷诺数下更为有效，可将努塞尔数提升6.49%–6.67%，但会导致压降增加21.24%–21.92%。后续通过遗传算法优化，使努塞尔数进一步提高了15。72%，同时将压降降低了31.27%[35]。类似地，Liu等人开发了一种新型花瓣状VG设计，并根据间隔距离、攻角和节距进行优化。优化后的涡流发生器使努塞尔数提升196%–347%，但同时也导致压降大幅增加244%–1149%，其最高性能评价准则(PEC)达到2.01[36]。
在BTMS研究背景下，多位学者已探究了涡流发生器（VGs）与现有冷却技术的耦合效果，并取得显著成果。Xie等学者通过实验对比了矩形与三角形涡流发生器几何构型对软包电池热管理性能的影响。研究表明，引入涡流发生器可显著提升散热效率，同时有效降低电池最高工作温度。 在5C放电条件下，与未配置涡流发生器的基准工况相比，三角形涡流发生器使峰值温度降低10%，局部努塞尔数提升38%[37]。Ye等学者通过数值模拟开展了参数化研究，系统考察了涡流发生器布置方式、攻角及高度对电池组热行为的影响。其研究结果表明：布置方式是最关键的影响因素，高度次之。经优化后，该构型可实现56.4%的温差降幅，并将单体电池峰值温度降低12.1%[38]。然而，当前关于涡流发生器耦合风冷的电池热管理系统研究仍极为匮乏且流于表面。此外，针对该集成构型特有传热强化优势的 rigorous comprehensive analyses 明显缺失。
本研究开创性地将涡流发生器(VGs)创新集成于空冷电池热管理系统中，充分发掘此类结构固有的巨大应用潜力。与液冷系统相比，结合VGs的空冷系统具有压降(Drop)更低、结构更简单及安全性更高等优势。然而当前关于涡流发生器在电池热管理系统中应用的研究仍显不足。与以往将VGs与电池热管理耦合的研究相比，本研究着重强调两个关键方面以有效解决上述局限性。首先，先前的研究普遍对阻力损失关注不足，且缺乏对传热强化与压降综合性能的全面评估。在空冷系统背景下，开展此类评估对于优化协调传热强化与相应阻力损失之间的trade-off至关重要。其次，关于性能提升的内在机理尚未得到充分解析。具体而言，目前仍缺乏对热管理模块内涡流强度分布、涡旋发展特征、涡旋位置及其对流场影响的系统性研究。本文通过从更本质层面系统评估上述变量如何决定电池热管理系统性能，全面阐明了内置涡流发生器（vortex generators）所产生的整体性影响。基于上述考量，本研究旨在探究旋流发生器在空气冷却式电池热管理系统中的应用性能，其目标是通过利用旋流发生器的强化传热特性，提升气冷系统的冷却能力。研究采用ANSYS Fluent进行数值模拟，并建立了配备旋流发生器的空气冷却软包电池模型。在此基础上，本研究针对六种不同结构构型，在不同雷诺数和不同排列行数条件下对涡流发生器性能进行评估。通过对比无涡流发生器的直通道工况，以最高电池温度和温差作为指标来量化热性能提升效果。同时，通过涡量分布、流场特性等分析手段，系统评估涡流发生器对热管理系统的综合影响。Nu/Nu0, 以及综合传热系数（R值）。该研究结果为风冷式电池热管理系统的设计提供了新见解，同时也适用于紧凑型电子元件和便携式设备的热管理。/f0, and the comprehensive heat transfer factor (R-factor). The results provide new insights into the design of air-cooled battery thermal management systems and are also applicable to the thermal management of compact electronic components and portable devices.
