定制设计的大型液冷板热管理系统，面向海洋动力Trojan蓄电池

电动船用的海洋动力电池系统正面临严重的热量积累和温度不均等严重挑战，原因是大量海用动力电池。因此，电动汽车中使用的液冷板（LCP）在温控性能方面表现不足。本研究设计了一种新颖的LCP，采用网格状通道、人字形分流结构和对称的双入口配置，以解决这一问题。创新的倒V形结构大大增强了热传导，同时引入了中空设计以降低长型多支流LCP的压降（Δp）。此外，采用对称双入口设计以辅助提升温度均匀性。因此，原装热管理系统在大型船用电池组件中展现出优异的温控性能，同时保证了相对较低的能耗。例如，在35°C的高环境温度和2.5°C的高放电率下，电池模块的最大温差和最大温差分别保持在28.84°C和3.55°C以下。同时，借助空心设计，对应的Δp低至23.4 Pa，大幅下降80.6%。本研究为海洋电池热管理提供了可扩展的解决方案，平衡高散热能力、均匀的温度分布和低能耗，并为大规模电力电池系统中的热设计提供了见解。

简介

在推动全球温室气体减排的背景下，海洋产业正面临深刻的变革。目前，传统的海洋动力系统依赖化石燃料，其对环境的负面影响正受到越来越多的关注和审视[1]。在此背景下，电力和混合动力系统正在迅速发展，尤其在内陆水道和沿海船舶领域展现出巨大潜力[2]。其中，电动船舶（ES）凭借零本地排放和低运行噪音的显著优势，已成为极具前景的解决方案，预计将重塑海洋运输的环境保护格局[3,4]。
如今，锂离子电池（LIB）通常被选为电动汽车（ES）和电动汽车（EV）的动力来源。这主要归功于锂离子电池的显著优势，如高能量密度、长周期寿命和低自放电率[5]。关于各种电池的热产生行为已有大量研究 [[6]， [7]， [8]]。然而，研究发现在锂离子电梯运行过程中，会发生一系列电化学反应，进而释放大量热量。持续的热量积累会导致温度急剧上升，严重影响LIBS的性能和使用寿命。在极端情况下，甚至可能引发热失控，导致火灾和爆炸[9]。因此，高性能电池热管理系统（BTMS）至关重要，能够调节锂电池的工作温度并平衡温度分布[10]。
目前，常见的BTMS包括空气冷却（AC）[[11]、[12]、[13]、[14]]、相变材料冷却（PCMC）和液冷（LC）[[15]、[16]、[17]、[18]、[19]]。交流具有结构简单和低成本的优点，但其冷却效率和温度均匀性表现相对较差，尤其适用于大规模电力系统[20,21]。尽管PCMC具有零能耗和结构简单等优势，但其稳定性和可靠性仍限制了其实际应用[22]。液质液晶技术可分为直接液质液析和间接液质氧化液。直接液相冷却，即浸没冷却[23,24]是一种将电池模块浸入非导电液体中的策略。然而，浸没冷却仍面临专用介电液高昂成本、复杂密封设计带来的复杂维护难度以及材料兼容性等可靠性挑战等应用瓶颈。间接LC采用金属组件附着在电池上。冷却液在金属部件内部流动，依靠LCP的高导热率来吸收和传递产生的热量。由于间接液表的高可靠性和强的温控能力，它已成为电力系统中最广泛使用的热管理策略[25]。为增强间接LC结构的热传导，通常会在增加传热面积、增强湍流以及破坏边界层等方面进行努力[[26]， [27]， [28]]。受自然启发，许多研究者从仿生学角度出发，设计了叶形[29]、莲叶形[30]、蜘蛛网形[31]和蜂窝形[32]等流道结构，旨在优化温度控制能力或降低流阻。其他一些研究以增加能耗为代价，设计了具有螺旋流通道结构[33]、阶梯结构[34]和特斯拉阀结构[35]的LCP。
近年来，随着ES开发中对热安全的紧迫需求，海洋BTMS被设计和研究（见图1）。Wu等人对ES的BTMS进行了全面评审，并明确指出ES与EV在设计上的显著差异[36]。ES的恶劣工作环境，如高湿度、高盐空气以及大量电池组件的应用，大大增加了热管理的难度。Rasul等人提出，由于船用电池体积庞大，散热和温度均匀性问题尤为突出。因此，设计热管理的关键应聚焦于Δp、散热能力和温度均匀性的控制[37]。刘等人设计了一种与空气流量分配器集成的电池组。通过模拟验证，该交流设计展现了卓越的均匀空气供应能力，为低放电率下船用电池的热管理提供了可行解决方案。然而，由于交流电固有缺陷，沿路径的热传递能力严重衰减，无法抑制高速放电时急剧增加的热量[38]。在ES的运行环境中，大量天然冷却剂，即河水和海水，可用于BTMS降低制冷能耗，从而延长ES的巡航距离。Gu等人设计了BTMS与LC耦合PCM，显示出更优越的温控性能[39]。基于此，他们进一步将热电冷却耦合于局部热点，进一步优化了最高温度（T_马克斯）以及电池系统的温差（ΔT）[40]。
然而，专门针对海洋电池BTMS的研究仍然相当稀少（见表1）。尤其是在高速率放电期间的温度控制仍然是一大挑战。这一障碍是因为船用电力电池体积、质量和数量都很大，这在高速运行和/或高温环境下不可避免地导致严重的热量积累_AMB).电动汽车BTMS常用的LCP散热性能极差。更糟的是，LCP内部的通道又长又窄且曲折，导致流路散热能力显著衰减。这加剧了模块不同部件间散热差异，使得处理过大ΔT极为困难，并导致高功耗以实现均匀温度控制。
本研究受此前电动车LC系统仿生结构的启发，该研究涉及多流线性支流以确保冷却剂均匀分布，提出了一种具有网格状通道以增强热传递的新型LCP结构。通过将进气口冷却液分为四个支流并采用空心设计连接实现。每条支流沿带有人字形分流结构的渠道以周期性振荡方式流动，从而加强热交换。另一方面，Δp通过空心设计显著降低，有效解决了长型多支流LCP的高能耗问题。此外，对称双入口设计显著改善了温度分布的均匀性。因此，原构船用BTMS有效克服了大型船用电池模块的散热和温度均匀性挑战，同时保证了LCP的相对低能耗。