不同风冷电池热管理系统对电池组热性能影响的研究

《Journal of Energy Chemistry》：Investigation on the thermal performance of a battery pack with different air-cooled battery thermal management systems

针对混合动力汽车电池包热管理性能优化研究，本文通过数值模拟与实验验证，系统分析了不同进气与排气分布对电池包冷却效率、温度均匀性及功耗的影响规律。研究表明VI型空气冷却方案在保证最佳冷却效率与温度均匀性的同时，具有最低功耗特性，其优化进气温度范围为20-25℃。通过对比传统Z型、U型及新型J型等9种典型空气冷却配置，发现合理优化气流通道结构可使电池包最大温度降低4.5K，温差缩小7.7K。实验验证了数值模型的准确性，并首次将WLTC实际驾驶循环引入电池包热管理评估体系，为HEV电池热管理系统设计提供了理论依据与实践指导。

　　

曾俊雄|杨浩|傅晓金|高铁宇|龚建英|翟光涛|赖晨光|吴航|彭志远

教育部先进制造技术重点实验室，重庆理工大学，重庆，400054，中国

摘要

本文通过数值模拟和实验研究，探讨了进气口和出气口布局对混合动力电动汽车（HEV）电池组热性能和功耗的影响。所采用的数值模型通过实验验证，结果吻合良好。此外，还详细分析了空气冷却剂在冷却和加热条件下流量及入口温度对电池组热性能的影响。研究结果表明，进气口和出气口布局对冷却通道内的气流均匀性和电池组的热性能有显著影响。在所有测试案例中，风冷型电池管理系统（BTMS VI）表现出最佳的冷却效率和电池组温度均匀性。冷却工况下，最佳入口空气温度范围为20°C至25°C。增加入口空气流量和温度可以显著提升加热效率，但会降低电池组的温度均匀性。优化后的风冷型BTMS VI能够满足商用HEV实际运行条件下的电池管理系统要求。

引言

减少碳排放和提高能量转换效率的有效途径是探索和发展电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）技术，这些技术已在全球范围内受到广泛关注[1]、[2]、[3]。锂离子电池（LIB）作为一种重要的储能装置，因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优点，被广泛应用于EV和HEV中[4]、[5]。然而，LIB对温度非常敏感，这限制了其在高温和低温环境下的性能和热安全性[6]。为了提高电池单元在EV各种运行条件下的寿命和热安全性，必须提出有效的电池热管理系统（BTMS），以将电池单元的温度维持在合理范围内[7]、[8]。 电池组的热管理技术通常可分为风冷[9]、[10]、[11]、液冷[12]、[13]、[14]、相变材料冷却[15]、[16]、基于制冷剂的冷却[18]、[19]、热管冷却[20]、[21]和浸没冷却[22]。在这些冷却技术中，风冷方案具有成本相对较低、结构紧凑、可靠性高和能耗低的优点，因此在实际工程应用中得到广泛应用[23]、[24]。影响风冷电池组热性能的因素包括电池组结构配置（如电池单元或电池模块的排列）、进气口/出气口布局以及空气冷却剂的流动参数（如空气质量流量和入口温度[25]、[26]）。许多研究探讨了气流布局对电池组流动和冷却性能的影响。张等人[27]通过数值模拟研究了在恒定2C放电工况下，4×9圆柱形电池单元排列的电池模块的热性能，发现进气口和出气口布局对电池系统的流动和传热特性有显著影响。Z型气流布局的BTMS在平均温度和最高温度方面分别降低了0.8°C和2.4°C。进一步的研究表明，随着入口气流速度的增加，通道几何形状对冷却效果的影响更为明显。陈等人[28]通过数值模拟和实验测试研究了9种不同进气口/出气口布局的风冷BTMS的热性能，并提出了一种优化的气流布置策略以提升热管理效果。他们的结果表明，与传统Z型布局相比，优化后的风冷BTMS在最高温度和电池单元温差方面取得了最佳性能，分别降低了4.5K和7.7K。刘等人和陈等人[29]研究了基于传统U型和Z型布局的新型J型布局，发现优化后的J型BTMS在所有测试布局中具有最佳的热性能，并通过交替控制U型和Z型BTMS的工作模式显著提高了温差。王等人[30]通过数值模拟评估了在风冷通道中添加平行板对9种风冷BTMS冷却性能的影响，发现电池模块的空气进出口相对位置对冷却效率有显著影响。此外，增加风冷BTMS中的平行板数量可以提高温度均匀性，但会增加电池模块的压力损失。 为了进一步提升风冷BTMS的电池组热性能和温度均匀性，相关研究人员探索了混合风冷BTMS方案以及在电池单元表面添加增强传热湍流扰流器的方法。例如，使用柔性挡板通道优化气流模式或结合垂直和螺旋鳍片已被证明可以有效提高冷却效率和温度均匀性[31]、[32]。Padalkar等人[33]通过数值模拟和实验研究了在圆柱形电池单元表面添加环形鳍片的混合风冷BTMS的热性能，结果表明，在不增加辅助能耗和牺牲电池组系统紧凑性的前提下，添加环形鳍片可以显著提高冷却效率。在2m/s的入口速度下，包含三个环形鳍片的方案可使冷却性能提高18.71%，而风冷BTMS的重量仅增加了3.58%。除了研究冷却结构的影响外，一些研究还关注了空气流量和入口空气温度对风冷BTMS热性能的影响。杨等人[34]通过数值模拟研究了六边形冷却板结构的冷却性能，发现入口空气流量对电池组最高温度有显著影响，而温度均匀性则更受环境温度和放电电流的影响。洪等人[35]利用CFD模拟研究了入口空气温度和热生成率对电池组热性能的影响，结果表明电池组的温度升高和温差与热生成率成正比，空气出口的位置对电池单元的热性能也有显著影响。 如上所述，以往的研究主要集中在实验室条件下较小尺寸电池模块的风冷BTMS冷却性能上。关于大型商用电池组在冷却和加热工况下的流动和热性能，以及在实际HEV或EV运行条件（如世界轻型车辆测试循环（WLTC）下的研究较少。值得注意的是，在实际工程应用中，电池组在低温环境下的加热性能同样非常重要。 因此，本研究通过实验测试和数值模拟，研究了大型商用电池组在冷却和加热工况下的流动和热性能，以及在实际WLTC驾驶循环条件下的性能。具体而言，比较了不同电池组的气流布局在冷却效率、温度均匀性和功耗方面的表现。采用优化的气流布局进一步分析了不同空气流量和入口空气温度下的电池组热性能，涵盖了HEV的实际应用范围。最后，在实际WLTC驾驶循环条件下对选定的电池组气流布局进行了实验验证。本文的研究结果可以为HEV风冷BTMS的设计和控制策略开发提供实际指导。

物理模型描述

本研究采用了一种基于商用HEV的风冷BTMS，电池组的几何模型如图1(a)所示。可以看出，风冷BTMS由四个电池模块（M1、M2、M3和M4）组成，每个电池模块沿气流方向都包含一个独立的冷却单元。例如，电池模块（M1和M2）与风冷风扇的右侧构成一个冷却单元。

数值方法

为了评估不同风冷方案下HEV电池组的热性能，采用了CFD方法计算电池组的流动和传热过程。本研究采用的冷却剂空气流量范围为50 m3/h至150 m3/h，这一范围在HEV电池组中较为常见。空气流量的大小通过调节风冷风扇的转速和占空比来控制。

不同进气口和出气口布局的影响

先前的研究表明，风冷BTMS的进气口和出气口布局对电池组的流动和热性能至关重要。本研究考虑了多种典型的商业HEV电池组风冷方案，这些气流布局的详细信息分别见图2和表2。作为对比研究，采用了传统的Z型（BTMS I）布局。

结论

本研究通过实验和数值模拟研究了具有不同进气口和出气口布局的商用HEV电池组的流动和热性能，比较和讨论了各种风冷BTMS的电池组最高温度、温度均匀性、冷却效率和功耗。风冷BTMS的数值模型通过实验验证，其预测结果与实验结果一致。

作者贡献声明

曾俊雄：撰写初稿、开展研究、争取资金、概念构思。 杨浩：进行正式分析、数据管理。 傅晓金：方法设计、资金争取。 高铁宇：资源协调、项目管理。 龚建英：监督工作、资源调配。 翟光涛：结果验证、方法论制定。 赖晨光：数据可视化、正式分析。 吴航：数据可视化、数据管理。 彭志远：撰写、审稿与编辑、软件应用。

利益冲突声明

作者声明没有实际或潜在的利益冲突，包括任何财务、个人或其他方面的关系。

致谢

本研究得到了重庆市教育委员会（项目编号：KJQN202201120、KJQN202401122）和重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2024NSCQ-MSX0313）的资助。