液冷板中多U型微通道用于卡特蓄电池热管理

为应对汽车电池寿命缩短及因高能量密度汽车电池在高放电率下产生大量热量而降低乘员安全的问题，本文提出基于汽车电池的热量特性和温度分布，在液冷板中构建多U式微通道（Multi-U）。研究探讨了不同Multi-U布置对电池冷却性能的影响，结果表明侧面布置的冷却性能更佳。与主面1相比，最高温度（T_马克斯）和最大温差（ΔT）_马克斯电池的能量分别减少了2.40K和2.50K。此外，通过对典型蛇纹石微通道冷却板（SMCP）和并联微通道冷却板（PMCP）的比较分析，Multi-U展现出更优的整体性能。此外，还探讨了Multi-U从中心到外围的信道宽度递增且递减对电池冷却性能的影响。事实证明，当通道宽度以1毫米多U（D1毫米）相等减小时，散热效果最为显著。最后，Multi-U的关键参数经过优化，以提升电池的功率密度。通过正交实验研究了多U关键参数对电池冷却性能的影响。最优参数组合为通道宽度（W）= 12毫米，通道厚度（H）= 6毫米，入口质量流量（F）= 0.02公斤·秒⁻¹，入口冷却剂温度（T）= 292.15 K。与原始Multi-U相比，T_马克斯以及 ΔT_马克斯电池的压力下降幅度分别为5.83 K和0.06 K，而压力降下降了89%。

 

随着文明能源供应的枯竭和环境恶化的加剧，人们对新能源车辆的发展有了显著的重视[1]。新能源汽车的重要动力来源之一是锂离子电池（LIB），其优点包括高能量密度、低自放电率和高循环次数[2]。LIB对这些车辆的动力性能至关重要。然而，LIB对工作温度极为敏感，最大温差（ΔT）_马克斯）小于5°C，且理想最高温度为（T_马克斯）温度介于20–40°C之间[3]、[4]。在高温和放电速率较高的条件下，LIB内部复杂的化学反应会产生大量热量[5]。锂电池的温度持续上升，高温放电会缩短电池容量和寿命。如果控制不当，可能导致热失控，甚至有爆炸风险[6]，威胁乘客和LIBB的安全。因此，为了电池的寿命和安全性，建立可靠的电池热管理系统（BTMS）至关重要。
目前，电池组常用的冷却方法包括风冷[7]、[8]、相变材料冷却[9]、[10]、液冷[11]、[12]、热管冷却[13]、[14]以及这些方法的组合。风冷BTM利用风扇推动气体流动，提升电池冷却性能。较低的对流热传递系数限制了其在汽车动力电池中的应用[15]。与空气冷却相比，相变材料通过改变其状态吸收并释放热量，有效地提升了T。_马克斯电池。然而，PCM冷却技术在电动汽车中的应用受到材料成本高、重量增加和热导率低的影响。热管冷却方法相比空气冷却，BTMS的热传递效率更高。然而，由于结构复杂且成本较高，热管冷却方法尚未被广泛采用[16]。
液基冷却对于汽车电池至关重要，因为电池的高能量密度含量不断增加。与空气冷却和PCM冷却相比，液体冷却具有更高的传热系数，具有更强的热交换能力。接触分为两种类型：直接接触和间接接触，取决于冷却液与电池表面的接触方式[15]。直接液冷系统存在泄漏和压降问题，而间接液冷则略有提升。因此，间接冷却在汽车动力电池中被广泛应用[17]。电池的热量通过冷却液作为中介分散。目前的研究主要利用液态水[18]、乙二醇[19]、纳米流体[20]及其他冷却剂。液态水和乙二醇因其高导热率、安全性和低成本，常被用于汽车电池中的冷却剂。
近年来，对高里程电动汽车的需求有所增长，因此BTMS应采用更轻的重量和更紧凑的结构，以降低车辆总重量并为电池安装提供更多空间。小通道冷却板具有体积较小、重量轻且冷却性能优异的优点，因此受到研究人员广泛关注[21]、[22]、[23]、[24]。目前，小通道冷却板的研究主要集中在关键参数、冷却板结构和通道分布的设计和优化上。Cheng等人[21]提出了一种新手冷却系统，将蒸汽室与小通道板集成在一起。结果显示，这种组合在冷却性能上显著优越。T字体_马克斯汽车动力电池的温度低于40°。Rao等人[24]利用液冷技术研究了微型通道冷却板的各种通道数、质量流量和通道宽度对电池组热管理性能的影响。研究结果显示，在高速放电条件下，微型通道冷却板热管理系统展现出卓越的冷却效率。Tang等人[25]基于棱柱形细胞设计，设计了细长的通道板，重点以四个电池为实验对象。他们提出了并比较了四种结构设计，其中两种显示出更好的冷却性能和重量比。此外，其他研究人员还进行了比较研究，分析各种冷却板结构，以实现最佳散热性能和降低泵送功率。Monika 等人[26]在相同操作条件下，利用压降及其他指标作为评估标准，研究了六种不同的板状结构。研究显示，蛇形和六边形结构散热性能更佳，而南瓜形结构的泵送功率较低。此外，研究人员也对蛇形通道液冷板产生了浓厚兴趣，因其卓越的散热能力。Sheng 等人[27] 提出了一个创新的多通道蛇形冷却板的想法。在研究多渠道各向同性流、多渠道各向异性流等影响的过程中，研究表明，汽车电池的冷却会深受多通道各向异性流向的影响。4.1 机箱展示了更优越的散热性能。Wang等人[28]对蛇形微通道板如何影响汽车电池散热产生了兴趣。在冷板布置方案3中，具有最佳散热性能，他利用MOGA算法优化了蛇形微通道弯曲半径（r）、控制通道尺寸（l、e）和冷却剂速度等关键参数。根据优化结果，汽车电池的温度更佳。汽车电池的最大温度和温差分别降低了2.65K和2.80K。优化后的板材展现出更优越的冷却性能。
此外，为了获得更优的冷却性能，研究人员致力于探索创新的通道结构。Wang等人[29]受蝴蝶翅膀结构启发，构建了一个蝴蝶形的通道板。他将其冷却性能与传统的直板、蛇形板和叶片形通道板进行了比较。结果表明，新颖的通道结构整体表现更优。后续对板的关键参数的研究确定了一组最优参数。结果显示睾酮的下降_马克斯汽车动力电池温度降至32.72°C，压降降低了29.1%。赵等人[30]发明了蜂巢式小通道板，灵感来自蜜蜂蜂箱的结构。这种源自自然的结构提升了冷板的有效散热面积。随后，他调整了板材的主要设置。电池模块的最大温差分别降低至302.5 K和4.1 K。受自然叶片结构启发，刘等人[31]构建了带有分叉叶脉的微通道板。它揭示了叶片分岔通道角度等关键因素如何影响汽车电池散热效果。通过遗传算法优化和与传统并行直通道的比较，T_马克斯汽车动力电池温度保持在40°C以下。 电池模块的最大温度和温差分别降低了1.12 K和1.64 K。Lai 等人[19]暗示了一种仿照特斯拉形状的微通道板，以缓解汽车电池散热的难题。特斯拉的结构使流体局部加速，促进热性能。随后，通过优化诸如特斯拉阀门数量等因素，T_马克斯汽车动力电池的温度保持在38°C以下。 新开发的冷板结构高效地促进了车辆电池的温度分布，延长了汽车电池的寿命并提升了乘员安全。未来，高能量密度的汽车电池将成为发展趋势。其中，散热问题是一个新的挑战。因此，需要进一步设计具有增强热传递结构的新冷板。通过阐明潜在增强机制，可以实现最佳的细胞温度分布和泵送成本。
为应对高能量密度电池组在高放电率时的散热问题，本文提出了基于汽车动力电池热产生特性和温度分布的液冷板多U型微通道（Multi-U），即电池单元或模块几何中心区域的温度更高， 而周边地区的温度较低）。该结构具有引入低温冷却液与汽车电池中央高温表面交换热量的特性，冷却液从中心流向外围时，流体经历循环分离和聚集，伴随流体碰撞和局部加速，有助于降低汽车动力电池温度并改善均衡。同时，内部的双通道结构降低了沿轨道的电阻。首先，研究不同冷却板位置对电池冷却性能的影响。此外，还与传统典型冷却板进行了比较。结果显示，Multi-U展现出更优越的整体性能。此外，研究还探讨了Multi-U频道宽度同时减小和递增对汽车电池冷却性能的影响。最后，采用正交实验方法，论文考察了包括通道高度、通道厚度、冷却剂流量和冷却剂入口温度等变量对Multi-U冷却性能的综合影响。确定了最优参数组合，提供了关键参考值，进一步提升BTMS冷却性能，确保其正常运行。