邱健蓄电池电动汽车电池用混合纳米流体螺旋脉动热管的实验与数值分析

本研究对集成8圈绕制振荡热管(OHP)的2P3S圆柱形锂离子电池模块进行了热性能与电性能分析。该OHP充注了最佳填充比为60%的纳米流体，其基液为去离子水，并含有1wt%的Al₂与TiO₃纳米颗粒，从而增强其导热性能。测试在0.5C、0.75C和1C不同充放电倍率下进行性能评估。结果表明：在1C充电过程中，未采用冷却措施的参照模块达到43.6℃的峰值温度，而采用无工质热管（HP_WWF）配置时降至41.5℃，带工质热管（HP_WF）配置则进一步降低至39.8℃。同样在1C放电工况下，峰值温度从参照组的39.3℃下降至HP_WWF组的37.2℃和HP_WF组的35.6℃。此外，电压与电流特性亦得到改善——相较于快速跌至8.9V的对照组模块，冷却模块在1C放电过程中保持了更高的电压稳定性，并延缓了电压掉落。除实验研究外，本研究采用ANSYS Fluent进行数值分析以模拟电池温度场分布并验证实验结果。分析表明：通过纳米流体与蒸汽的体积分数分布可验证振荡热管的高效相变运行机制，其表现出活跃的蒸发-冷凝循环特性。总体而言，HP_WF冷却系统表现出更优的热控能力，与HP_WWF相比可额外降低1.5°C至1.7°C的温度。本研究表明，纳米流体辅助振荡热管的应用能显著提升电池在不同高倍率工况下的热稳定性、电性能及安全性，这使其成为先进电池系统极具前景的被动冷却解决方案。₂ nanoparticles, enhancing its thermal conductivity. The performance is evaluated at different C-rates of 0.5C, 0.75C, and 1C for charging and discharging cycles. The results show that during 1C charging, the reference module without cooling reached a peak temperature of 43.6 °C, which was reduced to 41.5 °C with the HP_WWF configuration (heat pipe without working fluid) and further to 39.8 °C with the HP_WF configuration (heat pipe with working fluid). Similarly, during 1C discharging, the peak temperature dropped from 39.3 °C (reference) to 37.2 °C (HP_WWF) and 35.6 °C (HP_WF). Further, the voltage and current characteristics also improved, where the cooled modules maintained higher voltage stability and delayed voltage drop compared to the reference, which quickly dropped to 8.9V during 1C discharging. In addition to experiments, a numerical analysis using ANSYS Fluent was carried out to simulate battery temperature profiles and validate experimental results. The analysis shows that the OHP's efficient phase-change operation was verified through the volume fraction distributions of nanofluid and steam, showing active evaporation-condensation cycles. Overall, the HP_WF cooling system exhibited better thermal control, providing an additional temperature reduction of 1.5 °C to 1.7 °C compared to HP_WWF. This study concludes that the application of a nanofluid-assisted OHP significantly enhances battery thermal stability, electrical performance, and safety under various high C-rate operations, making it a promising passive cooling solution for advanced battery systems.

图文摘要

引言

受环境问题、政府政策和技术创新影响，汽车产业正快速转向电动化转型。随着各国致力于减少排放和发展绿色交通，电动汽车日益普及。锂离子电池技术在能量密度提升、寿命延长及消除记忆效应方面的进步，显著增强了电动汽车的实用性与可靠性。传统汽车制造商正扩展其电动产品线以抗衡特斯拉、比亚迪等纯电车企，同时新兴创业公司及科技企业也携创新方案加入竞争。这一变革反映了消费者趋势与企业战略向清洁电气化未来转型的宏观转向[1]。温度是决定锂离子电池工作效率、使用寿命及安全性的关键因素，其最佳工作温度范围为15°C至35°C。为确保运行稳定性并延长使用寿命，单体电池间的温差应维持在5℃以下。当温度超过80℃时，性能衰减、热失控等运行问题及火灾、爆炸等安全风险将显著增加[2]。
电池组长期暴露于高温环境会导致充放电循环过程中大量热量积聚。产热量主要取决于充放电倍率（C-rate）。这种热负荷会加速电池损耗、降低荷电状态（SOC）的估算精度，严重时可能导致电芯破裂、热失控或起火事故。因此，监测峰值温度（ΔT）与最大温差（ΔT）等关键热力学参数至关重要。_max) 电池使用过程中相邻单体或模组之间的相互作用[3]。由于锂离子电池性能受温度影响显著，配备高效的电池热管理系统（BTMS）对于控制温升、维持电池包内部温度均匀分布至关重要。_max) between nearer cells or modules during battery use [3]. Since lithium-ion batteries are strongly affected by temperature, having a good BTMS is necessary to control temperature increases and maintain even temperature distribution across the battery pack.
电池热管理通常可通过空气冷却、液体冷却及相变材料（PCM）冷却等方式实现[[4], [5], [6], [7], [8]]。空气冷却结构简单且能耗较低，但存在传热效率不足且易受工况影响的缺陷[9]。液体冷却具有更优的热管理性能与更紧凑的结构设计，但同时增加了系统重量、复杂性能耗[10]。基于相变材料的冷却系统通过相变过程实现被动温控，但受限于材料导热系数较低以及相变膨胀导致的设计难题[11]。另一方面，热管技术已成为极具前景的替代方案。其被动运行特性、高热效率、紧凑结构以及优异的温度均一性，使其特别适用于新一代电动汽车电池模组。
热管是一种无需外部能源的被动式两相传热装置，具有优异的导热性能，广泛应用于多种领域。在常规热管运行过程中，含有工质的蒸发段吸收热量，汽化后的工质流向冷凝段并将热量释放至环境中，从而实现高效传热[12]。随着热负荷持续增加且电子设备日益微型化，提升热管的热承载能力变得尤为重要。大量研究致力于探索新型被动式方法来增强其热承载能力。其中，振荡热管（OHP）因其卓越的传热性能和无吸液芯设计脱颖而出，成为小型电子设备冷却的理想选择[13]。
振荡热管(OHP)通过利用工作流体受热冷却产生的压力波传递热量。当蒸发段受热时，工作流体汽化形成气泡并向冷凝段移动，在冷凝段释放热量后重新凝结。这种往复运动形成流体振荡，使其能在较小温差下实现高效传热。OHP具有抗重力工作特性，因此适用于太空等严苛环境[14]。OHP可应用于多种场景，如同人小说电子元件冷却、卫星及航天器热管理等领域。其轻量化、结构紧凑及高传热率特性使其成为更优选择[15]。
振荡热管(OHPs)正成为电动汽车(EV)电池热管理领域一种极具前景的高效解决方案。该技术具有轻量化、结构紧凑的特点，且能在任意方位下正常工作，因此适用于多种电池设计方案。此外，振荡热管能在宽温域范围内实现高效传热，这种能力可同时满足电池冷却与加热的双重需求[16]。Rao等[17]设计并测试了一套基于振荡热管的电池热管理系统(BTMS)，研究证实该系统能有效提升电池寿命及电动汽车性能。结果表明，将电池高温区域置于振荡热管（OHP）冷凝段附近并避免水平布置，可降低流体回流阻力。OHP的启动温度取决于电池最高允许温度与温差，这为OHP-电池热管理（BTM）系统设计提供了关键依据。Behi等人[18]提出了一种夹层热管冷却系统（SHCS），用于管理钛酸锂（LTO）电池在8C放电过程中的热状态。电池最高温度从自然对流条件下的56.8°C降至37.在电池和SHCS两侧施加强制对流时，系统温度降低8°C，降幅最高达33.4%。Qu等[19]针对电动汽车电池性能开发并测试了一种三维振荡热管（3D-OHP）。在40至480W加热功率范围内，该3D-OHP的启动温度约为50°C，最低热阻达到0.07°C/W。该电池热管理系统（BTM）有效抑制了不同方位下的电池温升，维持了良好的温度均匀性，并展现出强劲的冷却性能。Wang等人在另一项研究中...[20]引入了一种用于锂离子电池热管理的微热管阵列(MHPA)技术，该技术同时解决了低温和高温工况下的热管理难题。模拟结果表明，该加热系统能在15分钟内将电池温度从−25°C升至0°C，且最大温差始终低于3°C，展现出良好的温度均匀性。研究还发现，加热过程会增强高温下的散热性能，而其散热组件对低温加热效率存在轻微抑制作用，这些发现为基于MHPA的热管理系统(TMS)设计提供了重要参考依据。Wei等[21]研发并测试了一种采用平板蒸发器与管式冷凝器的插入式脉动热管(PHP)，用于提升电动汽车电池性能。该PHP装置使用50%充注率的乙醇-水混合工质（配比范围为1:1至4:1）。研究结果表明，由于相变与分子间相互作用，乙醇-水混合工质能显著改善启动特性与传热性能。Burban等[22]通过实验研究了非闭合回路振荡热管(OHP)在混合动力汽车电子设备热管理中的应用，分别采用水、甲醇、丙酮及正戊烷作为工作流体进行性能对比。他们在30-550W的热负荷和15-60°C的空气温度下进行了测试。该振荡热管（OHP）即使处于-45°的苛刻倾斜角度下仍能稳定运行无故障，证明其适用于陆基应用场景。%%本研究聚焦先进电池热管理系统的新兴趋势，阐明了为何OHP相较于传统基于液体或相变材料（PCM）的冷却方案更具应用前景。此外，Finegan等人[23]的研究及Jingyuan Zhao[24]近期工作表明，人工智能模型通过整合实时热力学、电化学与机械数据，可精确预测电池的非线性行为、性能衰减及安全裕度。
纳米流体因其卓越的导热性和增强的传热能力，已被研究作为振荡热管(OHPs)的潜在工作流体。这些流体含有悬浮于基液中的金属或非金属纳米颗粒，使其具有优于传统流体的热性能。通过将纳米颗粒混入基液，其导热性得到提升。这种改变有助于在电池、处理器及功率电子器件等设备中实现更高效的热管理。改变纳米颗粒尺寸可进一步优化流体流动特性，并减少OHP系统中诸如颗粒沉降与表面磨损等问题[25]。尽管研究者已探索在OHPs中应用纳米流体，但关于在电动汽车(EVs)等实际工程系统中使用金属氧化物基流体的研究仍较少。已有少数研究考察了铝等金属氧化物的掺入对...₂与TiO₃为提升热管装置中纳米流体的热性能[26,27]，Thawkar等人[28]开展了一项采用四匝螺旋盘管振荡热管调控电池温度的实验研究。该研究使用铝基（Al-₂-不同放电倍率下MWCNT-乙二醇混合纳米流体的研究现状。然而，现有研究仅局限于探索混合纳米流体在振荡热管(OHP)电池冷却系统于不同充放电倍率下的表现。多数研究主要关注放电工况，而电池在不同充电倍率下的性能常被忽视。未来需进一步探究混合纳米流体在振荡热管及其他热管理系统中的多倍率应用潜力。本研究系统分析了先进电池热管理技术的新兴发展趋势，重点探讨振荡热管(OHP)作为替代传统液体冷却与相变材料(PCM)基冷却技术的潜在优势。本研究的主要目的包括：i) 通过数值模拟与实验手段研究纳米流体在HC-OHPs系统中不同充放电速率下的启动特性；ii) 探究纳米流体优化填充率对模块性能的影响；iii) 分析电池的热力学与电学特性；iv) 将纳米流体电池模块的性能与基准模块进行对比研究。₂O₃-MWCNT-ethylene glycol hybrid nanofluids at different discharge rates. However, the studies are limited to the exploration of hybrid nanofluids in oscillating heat pipe (OHP) battery cooling under varying charge/discharge C-rates. Most existing studies focus mainly on discharge rates, while battery performance during charging at different C-rates is often overlooked. Further research is needed to explore the potential of hybrid nanofluids for oscillating heat pipes and other thermal management systems across various C-rates. This study investigates emerging trends in advanced battery thermal management systems, with a particular focus on the potential of oscillating heat pipes (OHPs) as a promising alternative to conventional liquid and phase change material (PCM)-based cooling technologies. The main purposes of this study are: i) to investigate the startup of nanofluids in HC-OHPs at different charging and discharging rates, both numerically and experimentally, ii) to examine the effect of the optimized filling ratio of nanofluids on module performance, iii) to study the thermal and electrical characteristics of the battery, and iv) to compare the performance of the nanofluid-based battery module with a reference module.