实验研究结合微热管阵列和液体冷却的用于动力锂离子CAT蓄电池的热管理系统
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-07-15 09:41:32 点击： 次
近年来，全球对能源安全和环境可持续性的关注日益加剧。全球工业化和经济增长长期以来严重依赖化石燃料，导致资源枯竭和温室气体排放[1]，[2]。在这种背景下，从内燃机车辆向电动汽车（EV）的过渡已成为一种不可避免的趋势[3]。锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、高功率密度、长循环寿命、低自放电率和无记忆效应而成为电动汽车和储能系统的主导电源[4]，[5]，[6]。然而，电池温度强烈影响其安全、性能和使用寿命。高温会增加热失控的风险，而长时间过热会加速退化并缩短电池寿命 [7], [8]。因此，维持锂离子电池在适当工作温度范围内，一个有效的电池热管理系统的（BTMS）是必不可少的。有效的热管理对于LIB的安全性、性能和寿命至关重要[9], [10]；然而，传统的空气冷却对于高容量电池组往往不足[11], [12], [13], [14], [15]，而液体冷却，尽管其具有更强的散热能力[16], [17], [18], [19]，但在传统底部液体冷却中仍然面临系统复杂性、高成本和温度均匀性差等问题[20]。在BTMSs中，热管被广泛用作被动冷却元件，因为它们具有高导热性。这些系统通常与主动冷却方法如空气或液体冷却相结合，利用相变传热将热量从电池组转移到散热器以实现有效的冷却[21], [22]。热管在LIB电动汽车中受到青睐，因为它们具有紧凑的结构、低成本和简单性。这导致了该领域的大量研究。先前的研究已经广泛调查了基于热管的BTMSs，包括平板热管[23]、L形热管[24]、夹层热管冷却系统[25]和混合热管-液冷系统[26]、[27]、[28]。Machado等人[29]研究了基于循环热管的光伏/热系统改装用于商业光伏模块，并发现尽管整体效率达到了45.8%，但系统性能主要受到界面热阻和热提取密度的限制。Park等人[30]研究了基于脉动热管和蒸汽腔的相变散热器在高温自然对流条件下的被动冷却性能。他们发现蒸汽腔设计表现优于实心铝散热器。降低最高温度11.8°C和总热阻24.2%。这些研究证明，基于热管的冷却策略可以有效降低电池的最高温度并改善温度均匀性，尤其是在结合强制对流、液体冷却、涡流发生器或优化的热管配置时。赵等人 [31] 开发了一种带有多个微通道散热片的微热管阵列 (MHPA)，以增强传热效果。MHPA 可以弯曲以适应各种电池热管理场景，并由具有内部散热片的独立微通道组成，提高了相变流体的蒸发和冷凝液的回流。与传统的圆形热管相比，MHPA 有以下几个优点：它具有更大的表面积，可以更好地与棱柱形电池接触，每个通道独立运行，即使一个通道失效，也能确保继续运行，从而提高 BTMS 的可靠性。张等人 [32] 比较了三种冷却方法：自然冷却、MHPA 冷却和 MHPA 结合空气冷却。他们的结果显示，在 1C 充放电率下，MHPA 结合空气冷却的电池模块最高温度为 44.06°C。远低于自然冷却（70.20°C）下的情况，电池表面的温差仅为2.76°C。Ye等人[33]通过实验比较了有无MHPA的LIBs在充放电循环过程中的热行为，发现MHPA提高了循环稳定性和操作安全性。Ren等人[34]评估了一个Z-形MHPA-based BTMS，并将其与传统的底部液体冷却系统进行了比较。在40°C的环境温度下，底部液体冷却系统在2C的充放电速率下未能满足热管理要求，而Z-形MHPA系统将最大模块温度保持在55°C以下。此外，他们还探索了U形MHPA结合强制空气冷却的系统，在充放电循环过程中提高了温度均匀性[35]。在2C充电和3C放电下，主动空气冷却的MHPA系统峰值温度为51.70°C，显著低于没有MHPA的系统的57.83°C，显示出优越的热管理性能。MHPAs在电池热管理中的应用因其能够减少传统热管配置所占的空间而受到显著关注，传统热管配置体积庞大，会减少电动汽车的可用空间[25]。仅靠传统的底部液体冷却通常提供的冷却性能有限，因为冷却结构与电池之间的接触面积受限。如果将液体冷却直接引入电池模块，冷却液泄漏可能会带来额外的安全风险。相比之下，MHPA与液体冷却的结合可以有效地将电池内部产生的热量传递到液体冷却回路中进行散热。这种混合热管理策略不仅能够高效冷却电池组，还能改善温度均匀性。此外，该系统实现了内部热交换结构与电池单元之间的干湿分离，从而显著提高了系统安全性。在实际工程应用中，主流的棱柱形锂离子电池通常以电极片朝上的方式进行安装。当电极片横向放置时，压力释放阀也会位于侧面；在热 runaway情况下，释放的高温气体可能会直接冲击相邻电池或内部组件，从而增加安全风险。此外，横向电池放置可能会导致电解液分布不均匀，导致SEI形成不均匀，从而影响电池的安全性、耐用性和倍率性能。由于MHPAs作为重力辅助热管工作，大多数现有的基于MHPA的BTMS采用横向电池排列。并且相对较少的研究考虑了与工业实践中通常使用的向上布置方式兼容的配置 [34]。U形MHPAs可以有效补偿这种组装约束导致的散热不足。之前关于U形MHPAs的研究主要集中在强制风冷 [35] 和电池预热 [36]，而关于U形MHPA液冷的研究仍然有限，尤其是在变化的操作条件下。尽管对U形MHPA液冷的研究仍然有限，特别是在不同的运行条件下。尽管对U形MHPA液冷的研究仍然有限，特别是在不同的运行条件下。在这项研究中，针对具有向上电极极耳的棱柱形电池，设计了一种U形MHPA液体冷却BTMS，以满足实际工程需求。本研究中的BTMS在相同的环境温度和充放电速率下显示出优越的冷却性能[37]。与之前的研究相比，本研究考虑了在实际运行环境中可能遇到的不同环境温度、冷却水温度、冷却水流量和充放电速率对电池散热性能的影响。结果为在各种运行条件下评估冷却性能提供了实验和理论支持，并阐明了MHPAs的适用工作条件和冷却效果。该实验展示了一种倾斜的U形MHPA液冷系统，用于动力锂电池的热管理。倾斜的配置增加了与电池单元的接触面积，提高了热传递效率，并为电池组冷却提供了一种紧凑的解决方案。本研究将U形MHPA液冷系统与传统的底部冷却进行比较，评估其冷却效果和温度均匀性。此外，还研究了U形MHPA系统在不同冷却水温度、流量、环境温度和充放电率下的性能，为电动汽车中LIB热管理系统提供理论基础。提高热传递并为电池组冷却提供紧凑的解决方案。本研究比较了U形MHPA液冷系统与传统的底部冷却，评估其冷却效果和温度均匀性。此外，还研究了U形MHPA系统在不同冷却水温度、流量、环境温度和充放电率下的性能，为电动汽车中LIB热管理系统提供理论基础。提高热传递并为电池组冷却提供紧凑的解决方案。本研究比较了U形MHPA液冷系统与传统的底部冷却，评估其冷却效果和温度均匀性。此外，还研究了U形MHPA系统在不同冷却水温度、流量、环境温度和充放电率下的性能，为电动汽车中LIB热管理系统提供理论基础。为电动汽车中的LIB热管理系统提供理论基础。为电动汽车中的LIB热管理系统提供理论基础。
