《Case Studies in Thermal Engineering》：Numerical comparison of metal foam-enhanced liquid cooling with air and PCM for battery thermal management
编辑推荐：
本文针对电动汽车动力电池在运行中产热导致性能衰减和热失控的关键问题，采用三维数值模拟方法，系统比较了金属泡沫/相变材料(PCM)混合冷却方案与金属泡沫/空气冷却方案的性能。研究表明，在动态内阻模型下，将PCM(RT25HC)嵌入高孔隙率金属泡沫的结构能有效延缓电池在高倍率(1C)放电时的温升、减小温差，为被动式电池热管理系统设计提供了高效可靠的优化策略。
在电动汽车(Electric Vehicles, EVs)飞速发展的浪潮中，动力电池的性能与安全始终是产业关注的焦点。电池在充放电过程中的化学反应会产生热量，若管理不善，轻则导致电池性能衰减、寿命缩短，重则可能引发连锁性的“热失控”，带来严重安全隐患。为了给电池“降温”，工程师们开发了多种热管理策略，其中空气冷却、液体冷却和基于相变材料(Phase Change Material, PCM)的被动冷却各具特色。空气冷却结构简单但能力有限；液体冷却效率高但系统复杂；PCM能利用相变潜热吸收大量热量，但其固有的低导热性限制了它在高功率场景下的表现。于是，研究者们将目光投向了结合多种优势的“混合冷却”方案。那么，如何从众多方案中优选出高效、可靠的冷却策略呢？意大利坎帕尼亚大学的研究团队近期在《Case Studies in Thermal Engineering》上发表了一项研究，他们通过精细的数值模拟，对金属泡沫增强的两种冷却方案——PCM冷却与空气冷却——进行了一场“同台竞技”，旨在为下一代电池热管理系统的设计提供科学依据。
为了精准评估不同冷却方案的性能，研究人员运用了多个关键技术方法构建了三维仿真模型。首先，他们建立了一个圆柱形锂锰氧化物(Li-Mn2O4)电芯的三维几何模型，并采用基于放电深度(Depth of Discharge, DOD)的动态内阻(Internal Resistance, Rint)模型来模拟电芯在0.5C和1C两种放电倍率下随时间变化的真实产热行为，这比传统恒热源假设更贴近实际。其次，他们设定了两种被动冷却场景：一种是将PCM(RT25HC)嵌入具有不同孔隙率和孔密度的铝制开孔金属泡沫中；另一种是让金属泡沫暴露在自然对流的空气中。模型外壁设为绝热，并通过嵌入的冷却流道（水温恒为293.15 K）实现混合对流冷却。最后，整个系统的共轭传热问题，包括电池表面、PCM和多孔介质之间的复杂热交换，均在ANSYS Fluent软件中采用有限体积法进行求解，并以电池表面的最高温度和平均温度演变作为核心性能评价指标。
物理模型框架
研究基于一个用于电动汽车的标准圆柱形锂锰氧化物电池模块。数值分析模型将电池封装在填充了不同几何参数（孔隙率、孔密度）铝金属泡沫的平行六面体外壳中。电池周围布置了恒温水流（293.15 K）的冷却流道。外部电池包壁被假设为绝热，以专注于分析内部冷却策略。为降低计算成本并利用对称性，研究聚焦于单个电池的四分之一截面模型。模型详细几何尺寸，如电池间距、流道尺寸等均被精确设定，为后续的数值计算奠定了基础。
电池内阻测量与分析
研究选用了一款具体的18650型锂锰氧化物电池进行实验，以获取建模所需的关键参数。通过搭建包含可编程电源、数据采集系统和温度传感器的实验平台，测量了电池在0.5C和1C倍率下放电过程的电压、电流和温度。关键的一步是，研究者没有采用常见的内阻恒定假设，而是运用Rint模型分析技术，从实验数据中提取了内阻随放电深度变化的函数关系，并通过回归分析得到了具体的数学表达式。这种动态内阻模型能够更真实地反映电池放电过程中焦耳热源的动态变化，是本研究实现高精度热仿真的重要前提。
模型公式
研究建立了控制冷却介质（熔化PCM或空气）在金属泡沫多孔介质中流动与传热的完整数学模型。模型基于若干假设，如金属泡沫各向同性、忽略辐射换热、应用Boussinesq近似等。控制方程包括质量守恒（连续性方程）、动量守恒（Navier-Stokes方程，并包含多孔介质Darcy-Forchheimer阻力项以及针对PCM的糊状区模型源项）和能量守恒方程。在能量方程中，采用了局部热平衡假设，并包含了PCM相变潜热项。金属泡沫的渗透率、惯性系数等传输特性通过经验关系式与孔隙率和孔密度关联。有效热导率和有效热容则通过金属骨架和填充介质（PCM或空气）的体积加权平均模型计算。这些公式构成了在ANSYS Fluent中进行数值计算的理论内核。
（注：文档内容在“4. Model formulation”章节后中断，因此无法提供基于全文后续章节（如结果、讨论、结论）的详细解读。以下分析将基于已提供的摘要、引言、模型和方法部分进行归纳。）
研究结论与意义
尽管完整的数值比较结果在所提供的文档片段中未能展现，但根据研究摘要和既定目标，可以清晰地归纳出本项工作的核心结论与重要价值。研究表明，在模拟电动汽车电池动态放电（特别是1C高倍率）的条件下，将相变材料与高孔隙率金属泡沫结合的混合冷却策略，相较于金属泡沫结合空气冷却的策略，能更有效地控制电池温升、减小电池包内的温度梯度，从而延缓可能引发热失控的温度上升。本研究的创新之处在于采用了更符合电池实际工作特性的、基于放电深度的动态内阻模型来驱动热仿真，使得对PCM熔化过程、温度演变及冷却性能的评估更为准确可靠。
这项研究的意义在于，它通过先进的数值模拟手段，为开发高效、紧凑且无需额外动力的被动式电池热管理系统提供了关键的设计见解和性能对比数据。它证实了金属泡沫增强型PCM方案在管理高倍率放电电池热行为方面的潜力，有助于推动电动汽车电池系统向着更安全、更高效的方向发展。研究中所建立的考虑动态内阻的三维高保真模型框架，也为未来电池热管理的仿真研究与设计优化提供了有价值的参考范例。
