对包含32700和18650个LFP邱健蓄电池单元在等效功率水平下的最佳热管理系统的比较分析

本研究评估了由45个1.6 Ah 18650单元和12个6 Ah 32700 LFP单元组成的优化模块（总计230.4 Wh）的浸没冷却性能，采用角增强型拉丁超立方体采样（LHS）-多目标遗传算法（MOGA）优化，在基于热流条件的不同C速率和流量下实现。经过验证的单单元模型为模块级仿真提供了基础。结果显示，优化后的18650模块相比基础设计实现了88.08%的压降降低，平均温度略有上升。优化后的32700模块压降降低了84.66%，尽管温度上升适中，温度分布也更加均匀。直接相比，18650模块在热量管理上更为高效，而32700模块则以较低的压力损失和更小的体积在相同功率容量下脱颖而出。在4°C的放电速率和0.1 kg/s流量下，优化后的18650模块的平均温度可达303.18 K，而在1°C和0.001 kg/s下稳定在302.54 K。相应的压降分别为143.39 Pa和1 Pa。对于优化后的32700模块，4摄氏度和0.1公斤/秒以下的平均温度为307.03 K，在1摄氏度和0.001 kg/s时降至304.11 K。该模块的压降值为64.73帕（0.1公斤/秒）和0.48帕（0.001公斤/秒）。研究结果证实，电池和优化设计会影响浸入式冷却电池模块的热行为和流阻。

简介

汽车行业目前正经历重大创新和转型 [[1]、[2]、[3]、[4]]。随着锂离子电池（LIB）技术的发展，锂离子电池在储能系统（ESS）和电动汽车（EV）中的应用日益增加。特别是，由于其高能量密度、长寿命和低自放电率，它们在电动汽车中更具吸引力[5]。然而，尽管电池有诸多优势，电池老化仍是影响电动汽车最严重的问题之一。随着时间推移，电池容量会减少，续航里程也会缩短。此外，电池健康的退化对整体车辆性能和能源效率产生负面影响。过充和放电条件、循环次数和工作温度是导致电池老化的关键因素。因此，为了让电动汽车电池组兼具高性能和延长寿命，这些特性必须被严格控制和监控[6,7]。这一关键功能由电池管理系统（BMS）承担。BMS通过监测多个电池状态（如充电状态（SoC）、健康状态（SoH）和温度（SoT）来确保电池安全和效率[8]。鉴于温度是影响劣化和安全性的最关键参数之一，许多研究都聚焦于电池的热行为。这些研究包括铝-空气电池热性能的实验研究、圆柱形锂离子电池热量产生的详细测量、旨在表征锂离子电池各向异性热导率的实验和数值分析，以及开发的原位方法以评估大型袋状电池的热产生。这些研究展示了用于理解电池热性能的广泛方法，并强调了准确表征在制定有效热管理策略中的重要性[[9]、[10]、[11]、[12]]。
锂离子电池在受控的热环境中高效工作，保持均匀适中的温度有助于支持电化学稳定性并减少长期的降解。LIB在充放电过程中持续产生热量，且产生热量增加，尤其是在高C率时。因此，需要电池热管理系统（BTMS）以防止LIB封装内极端的温度梯度和热点，并确保电池单元间温度分布均匀[13,14]。基本上，热管理系统分为三类：风冷型、液冷型和相变材料（PCM）型[15]。使用这两种方法中的任意两种混合系统也在研究中。
风冷BTM结构简单紧凑。在这些系统中，鼓风机从环境中吸取空气冷却电池组。然而，空气的低热导率和低比热容限制了该系统在电动汽车中的应用。电池组的温度分布通常不均匀。风冷BTMS适合混合动力车辆，因为电池耗电较少，电池产生的热量也相对较低[16]。液冷BTMS相比风冷系统具有更优越的热导率和散热性能，非常适合配备大容量电池组的纯电动车。冷却方式有两种：间接冷却，冷却剂通过通道循环而不直接接触电池单元;浸没冷却，冷却液直接接触电池单元以增强热传递。虽然间接冷却具有较高的热容量，但需要优化流量和通道设计等多方面因素[[17]， [18]， [19]]以最大化效率。Wu等人[20]开发了拓扑优化的冷板，考虑锂离子电池中非均匀热源，相较传统设计在温度均匀性方面显著提升。Wei等人[21]提出了用于圆柱形锂离子电池的新型拓扑优化热交换器，相较于传统通道结构实现了更高的传热系数和更小的压降。Han等人[22]研究了受蜘蛛网启发的拓扑优化散热器，最初应用于电子冷却，但其热阻和温度均匀性的改进表明其在电池热管理应用中具有强大潜力。
浸没冷却不同于间接冷却，直接接触电池单元与介质流体;这完全消除了对流体通道的需求。这种方法消除了电池与冷却液之间的热阻，从而实现更高效的散热。浸没冷却因其卓越的冷却性能，仍是研究人员所青睐的方法[[23]， [24]， [25]， [26]， [27]]。相变材料（PCMs）基于在相变过程中吸收大量热量的原理，特别是在从固体到液体转变过程中。当PCM达到熔点时，它会吸收热量并保持恒定温度，防止电池温度过度上升。当环境温度下降时，PCM会凝固，释放储存的热量，防止电池过于冷却。常用的PCM包括石蜡（PA）和聚乙二醇（PEG）[28]。然而，其低热导率是一个显著缺点，尤其是在纯PCM应用中。为改善传热效果，正在探索多种增强技术，如散热片、封装、纳米颗粒添加剂和金属泡沫[29]。另一个重要点是，与浸没式冷却相比，基于PCM的热管理提供了较慢的供暖和制冷速率。
BTMS的最新进展凸显了浸没冷却在高C率运行下提升锂离子电池安全性、性能、预测和优化的潜力[[30]， [31]， [32]， [33]]。Hussain等人[34]提出了一种用于高能钛酸锂电池的通道介电液浸没系统，利用HFE-6120冷却剂演示了降低最高温度并改善温度均匀性。Huang等人[35]开发了一种被动单相浸没冷却策略，集成了带散热管，实现了对中小型电池组且温差最小的有效热调节。Zou等人[36]引入了将静态浸没冷却与液冷管耦合的混合系统，允许与现有车辆热回路集成，同时保持低最高温度和增强均匀性。Ye等人[37]采用了特斯拉阀门启发的通道设计，以增强圆柱形电池周围的流量分布，实现对流热传递系数提升高达103%，并显著降低压降。Tai 等人[38]通过实验评估了5S7P电池模块中的浸没冷却，发现流量为0.8 LPM的Therminol D-12是极端充放电速率下温度管理最有效的配置。这些研究证实，浸没冷却为电动出行和固定式储能系统中保持热安全和延长电池寿命提供了可靠的解决方案。
如今的锂离子电池有各种尺寸和形式。增大电池尺寸，尤其是圆柱形电池，可以储存更多能量，从而设计出容量相同但电池组数量更少。然而，电池尺寸对冷却性能的影响也很重要。虽然此前的研究主要关注冷却技术和设计方法的性能，但本研究的目标是确定电池尺寸对热管理性能的影响。为弥补这一研究空白，本研究引入了一个比较框架，强调细胞大小如何影响浸没冷却效果。本研究的主要创新在于直接比较了功率容量相等的浸冷18650和32700电池模块，先各自独立优化，然后评估其最优配置。该方法系统评估了热性能、压降和体积紧凑度之间的权衡。比较分析得益于两项方法论上的进步：将角增强拉丁超立方体采样（LHS）与多目标遗传算法（MOGA）整合，确保设计空间探索的高效和全面;以及开发基于单单元模型的验证模块级模拟，保证实验准确性与系统尺度分析的一致性。这些创新不仅强化了比较评估的可靠性，也为电动汽车应用中先进电池热管理策略的设计提供了宝贵见解。