来源 | Applied Thermal Engineering
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背景介绍
近年来，能源危机和环境污染问题日益严重，已成为制约社会发展、影响人类健康的关键因素。传统汽车以燃油为动力，其尾气加剧了环境污染。节能减排是未来社会的趋势。超过 120 个国家承诺到 2050 年或 2060 年实现碳中和。
电动汽车的发展对于交通促进、能源转型和防止全球变暖具有重要意义。可回收电池是电动汽车的核心部件，其中锂离子电池以其能量密度大、寿命长、自放电率低等优点被广泛应用作为电动汽车的动力源。然而，锂离子电池的性能受其电极组成元素和工作温度影响较大，其热安全性是影响电动汽车发展的关键问题之一。
锂离子电池的最佳工作温度范围为20℃至50℃。当温度过高时，锂离子电池的容量和寿命会下降，容易引起电池热失控甚至起火爆炸事故，尤其是高镍三元电池，此外，最大温差（Δ电池组的T max）应控制在5℃以下。因此，为了保证锂离子电池的安全，提高其工作效率和寿命，采用电池热管理系统（BTMS）是必要的。
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成果掠影
近期，中国科学技术大学王青松教授团队结合实验和数值模型，为十二个圆柱形锂离子电池设计了一种结合相变材料和液体冷却的新型热管理系统。实验结果表明，在环境温度35 ℃下，空白对照系统1 C充电和2 C放电时的最大温度和温差分别为57.6 ℃和4.1 ℃，而单液最大温差为3.6 ℃冷却。与它们相比，耦合系统的最高温度仅为44.8℃，最大温差小于2℃，具有优越的循环性能。
此外，提出了电热模型来研究冷却剂的冷却效果，从中控制冷却剂流量在250 mL/min内是最佳选择。基于这些结果，通过监测电池组最高温度和环境温度，提出了冷却液流量和入口温度分级管理的优化策略。这种策略不仅可以在不同的环境温度下将系统的温度控制在所需的范围内，还可以减少液冷不必要的能耗。所提出的系统可扩展以应用于其他类型的电池进行热管理。通过监测电池组最高温度和环境温度，提出冷却液流量和入口温度分级管理的优化策略。
研究成果以“Investigation on the temperature control performance and optimization strategy of a battery thermal management system combining phase change and liquid cooling”为题发表于《Applied Thermal Engineering》。
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图文导读
图1 CPCM的制备工艺流程图
图2 采用DSC计算的CPCM热流曲线
图3 CPCM的微观形态学表征
图4 BTMS的结构
图5 自动温度控制系统
图6 实验系统的示意图
图7 温度测量点(a)位置在电池组(b)位置
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创新探索！风冷电池热管理系统的现代建模技术文 | 文史充电站
编辑 |文史充电站
锂电池在绿色能源储存中至关重要，但需要高效的热管理系统，目前基于空气的电池热管理系统（BTMS）受到广泛关注，但受到空气导热率和热容量的限制。
研究者探索不同传热机制和优化设计，但存在性能不稳定和高能耗等问题。个性化设计的BTMS变得关键，提出了简化建模方法，可用于评估电池热性能，并研究了不同排列方式对性能的影响，以找到最佳设计。
优化电池模块传热系数的关键因素
在电池模块的热管理中，对流动的稳定性和传热特性的理解至关重要，特别是在流动过渡区域，各种不稳定因素可能会影响大型电池模块的性能，可经研究表明某些早期行的流动足以实现在整个电池上具有恒定传热系数的周期性流动。
这一系列研究发现，前排和后排单元之间的传热系数差异取决于雷诺数、单元排列和节距比。
在交错排列中，传热系数的变化与节距比无关，仅取决于雷诺数，这些发现使我们能够使用周期区域内的单元的传热系数来估计整个电池模块的传热系数。
为了模拟不同几何形状的电池模块的传热特性，采用了基于计算流体动力学（CFD）的方法，研究区域包括了2×2的周期域，横向和纵向的节距比分别在1.244到2.074和0.622到1.452之间变化，代表了典型情况下的间距范围。
使用高质量的结构化六面体网格，施加了周期性边界条件，以模拟流动的周期性特性，并保持质量流量不变，流体介质选择了空气，并且应用与电池单元中的发热速率相匹配的恒定热通量作为热源。
为了降低计算负担，将模型从三维简化为了二维，考虑到电池单元的长径比和轴向热导率相对于径向热导率的显著差异。
使用二维非稳态雷诺平均纳维斯托克斯（URANS）模型，这个选择在计算成本和结果准确性之间取得了平衡。
在湍流模拟中，采用过渡湍流模型，该模型已被证明在评估交叉流热交换器等应用中表现良好，使用了QUICK和有界二阶隐式方案对空间和时间进行离散化，以获得所需的模拟数据。
虽然我们的模型现在可以预测电池相对于参考温度的温升，但参考温度仍然是一个未知变量，需要根据每个电池的情况确定。
当流体流经单元时，流体温度会上升，从而提高了每排单元的参考温度，这会影响后续排单元的传热速率，这可能是大型电池热管理系统中电池之间温度分布不均匀的主要原因。
为了解决这个问题，我们评估了整个电池模块的流动温度，使用了一组方程来估计每个电池的上游侧和下游侧的流动温度。
考虑到冷却剂流体必须吸收电池的热损失，这些方程使用了已知变量，如入口质量流量、比热容、每排电池单元数和电池的传热面积，以及我们在之前的研究中确定的传热系数。
通过数值求解这些方程，确定了流动温度的分布，并获得了电池模块上每个电池的实际热场，这一研究为电池模块的热管理提供了重要的信息，有助于优化电池的性能和寿命。
这还可以通过结合实验数据和CFD模拟，我们能够深入了解大型电池模块中的流动和传热特性，从而为电池热管理系统的设计和优化提供了重要的指导，这对于推动电动汽车和可再生能源存储等领域的发展至关重要，以确保电池的安全性和性能。
电池单元热模型预测
根据早期的研究，21700锂电池在热性能方面相对于其他圆柱形电池类型表现更出色，那么在电池组设计中，选择了由21700锂电池组成，以降低电池热管理系统（BTMS）上的额外热负荷。
为了满足混合动力汽车的电池组要求，我们串联连接了83个电池单元，形成了一个模块，提供295V的标称电压，整个电池组由两个并联的模块组成，共包含166个电池，总标称容量为1.9 kWh。
在模块中，电池单元按照特定的横向和纵向节距比进行交错排列，通过掌握电池数量和给定的横向和纵向节距比，我们能够推导出模块的尺寸。
电池的热管理是关键问题，其取决于电池的充放电速率，通常以C速率表示，在的研究中考虑了电池组在3C充电/放电速率下的极端条件，这意味着电池组可以在20分钟内完成充电或放电。
在这种情况下，电池可能会过热，我们采用了被动方式，通过从车辆驾驶室提供空气来调节电池单元内的温度，以确保不会影响车内乘客的舒适度。
经过研究气流分析结果，我们知道混合动力电动汽车在高鼓风机设置下，标准温度下的气流率约为48.4标准立方英尺每分钟（SCFM），压力为1大气压。
我们进行了实际温度和压力下的测量，分别为323.15K和0.81大气压，根据这些数据以及空气的热物理特性，可以使用公式计算出空气的质量流量，其中Q是质量流量（以kg/s为单位）。
电池单元的热模型是为了研究电池的热行为而采用的，该模型基于积分变换技术，可以准确而高效地预测圆柱形电池的温升，并与实验测量结果相符。
该模型需要一组输入变量，包括电池单元的热物理特性、发热率和传热系数，我们假设电池以3C的充电/放电速率运行，并且大部分热量来自于电池内部电阻产生的不可逆热量。
是电流速率，可以通过电池的标称容量和充电/放电速率的乘积得出，我们假设片上的传热系数为5，模仿自由自然对流，圆周传热系数是一个未知变量，每个电池模块中的电池单元都会有所不同，需要在模型中输入。
"CFD模拟电池内部传热系数
选择一个2×2的电池域来模拟周期性流动，以模拟电池模块内完全发展的流动区域的传热特性，为确保模拟结果的可靠性和计算效率，我们进行了网格敏感性分析。
在这项分析中，考虑横向和纵向螺距比分别为1.244和1.037的几何形状，这产生了最大的雷诺数和湍流强度，生成五个不同网格分辨率的计算网格，包括从7392到102392个网格单元。
始终指定与墙相邻的初始单元高度，并以1.1的增长率扩展网格，通过对努塞尔数的预测进行分析，当网格单元数超过67472时，努塞尔数的变化几乎可以忽略不计。
所以说选择具有67472个网格单元的计算网格作为CFD研究的可信基准，并在其他几何形状的模型中使用等效网格参数。
在模型验证方面，不同子模型的有效性进行了单独审查，以验证整个综合模型的可靠性，针对单个圆柱形电池的热评估子模型已经通过实验测量进行了验证。
对CFD子模型进行了有效性检查，采用了研究人员，提出的管组平均努塞尔数的经验相关性来进行比对。
这一比对的结果显示，CFD模拟结果与经验相关性非常一致，尤其在模拟的最大质量流量点，模型与相关性的偏差小于3%。
确保模拟结果的准确性和可信度，为电池热管理系统的设计和性能优化提供了重要的指导，有助于推动电动汽车和可再生能源存储等领域的发展，以确保电池的安全性和性能。
化热管理系统设计的平衡
电池温度管理系统（BTMS）在电池单元的性能和安全高效运行中扮演着至关重要的角色，这其中，横向和纵向节距比被认为是关键因素，影响着电池热管理系统的性能。
这些节距比的优化可以在最大温升、热梯度、紧凑性、重量、压降和质量流量之间进行权衡，从而决定电池热管理系统的最佳设计。
通常情况下，研究不同节距比对电池温度管理系统性能的影响是具有挑战性的，因为系统复杂性、实验限制和计算费用的问题，可是通过使用本研究中提出的模型，我们可以更直接地研究不同横向和纵向节距比对BTMS性能的影响。
在这项研究中，重点研究了横向和纵向节距比对电池模块的影响，在实验中，我们将纵向螺距比保持为1.037，而横向螺距比在1.244到2.074之间变化，以研究横向螺距比的影响。
也进行了纵向螺距比的研究，将横向螺距比设置为2.074，而纵向螺距比范围在0.622至1.452之间。
在所有情况下，我们保持质量流量恒定，并假设入口温度保持在293.15，我们根据独特的CFD模型来确定对流传热率，结合分析模型和方程组，估计每排电池单元的热场。
研究结果表明，横向和纵向节距比对电池模块的最高温度和热梯度有显著影响，具体而言，电池模块的最大温升与横向和纵向节距比成正比。
这意味着减小电池单元之间的横向和纵向间隙可以提高电池热管理系统的性能，降低电池单元内的温升。
在电动车辆和可再生能源领域，电池温度管理系统（BTMS）的设计和优化至关重要，我们通过计算流体动力学（CFD）模拟，深入研究了横向和纵向节距比对BTMS性能的影响。
结果显示，减小电池单元之间的横向和纵向间隙可显著提高电池热管理系统的性能，降低最大温升，但也可能增加温度梯度。
在设计电池组时，需要权衡最大温升、热梯度和温度均匀性，以满足不同应用的需求，研究人员还强调了测量表面温度可能低估电池内部温度，应谨慎考虑内部温度梯度，这些研究结果为电池性能和安全性的提升提供了有用的指导。
