摘要 - 电池组在电动汽车中广泛应用，其安全性、老化和寿命与热行为密切相关。本研究对Zig Zag和U tube交错式锂离子电池模块进行热分析，目的是比较这两种模块的温度和冷却液流速。使用Ansys Fluent进行热分析。模拟结果显示，在相同冷却液流速下，Zig Zag模式的表面温度低于U形模式。此外，还研究了速度流线对热管的影响。研究结果可用于优化锂离子电池冷却系统的设计，改善其热管理。
1.简介
电池热管理系统（BTMS）的重要性和分类：BTMS对电池在电动汽车、可再生能源存储和便携式电子设备等应用中的安全和高效运行至关重要。它旨在控制电池温度在最佳操作范围内，以提高电池性能、可靠性和寿命。BTMS分为被动和主动两类，被动式通过电池组的设计和材料散热，包括散热器、相变材料和绝缘材料等，但在极端条件下可能难以充分控制温度；主动式则使用风扇、泵或液体冷却系统等更精确地控制电池温度。 本项目的研究重点和目标：本项目通过改变锂离子电池模块的几何形状进行热分析，主要考虑通道参数和匝数等参数，研究U tube和Zig Zag两种几何形状。研究结果可用于优化电动汽车电池组或其他需要有效温度控制的系统的热管理，最终目标是为开发更有效和可靠的冷却解决方案做出贡献，以提高电池在各种应用中的性能和寿命。2.目标和理论
研究方法和设置：通过改变几何形状对锂离子18650电池模块进行热分析，采用U tube和Zig Zag两种几何形状，确定了冷却液混合物、参数和流速等。使用ANSYS Fluent进行热分析，其过程包括预处理、求解和后处理三步。预处理包括网格生成、赋予热物理性质和边界条件；求解采用PISO求解器并输入数据变量；后处理展示图形轮廓和分析结果。 ![]()
表1.材料属性
电池模型假设和相关方程：不考虑电池内部的热化学反应，将电池内部建模为简化固体，并作出以下假设：电池各向同性、热源均匀、仅考虑导热传热、电池热容量恒定。给出了电池和热管之间的能量守恒方程：![]()
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材料使用：热模块中使用标准锂离子18650电池，冷却液采用乙二醇 - 水混合物，并给出了相关材料的性质。3.方案
锂离子18650电池介绍：锂离子18650电池近年来越来越受欢迎，“18650”指其直径18mm、长度65mm的尺寸。它具有高能量密度、长寿命周期、低成本和自放电率低等特点，适用于电动汽车、工业等领域以及混合动力电动汽车。 电池模块设计
结构配置：采用交错配置，21个电池相互错开排列，间距为10mm，以最大化空间利用率、减少电池组模块的整体尺寸，并降低电池间的电阻，提高电池组的整体性能。 通道和热管设计：电池尺寸为65mm×16mm，使用SolidWorks设计可折叠通道，使电池与冷却液通道实现最大表面接触以最大化热传递。热管由铜制成，热导率为385W/Km，Zig Zag形状的热管可实现电池与热管的最大接触。冷却液采用乙二醇 - 水混合物，相关尺寸和CAD图如图1所示。 ![]()
进出口设计：两种结构均包含21个电池，各有4个进出口，冷却液从进口进入，经过电池组后从出口流出，促进热量的冷却和散发，通道横截面面积为10mm×15mm。4.设计网格和边界条件
网格划分方法和相关设置
命名和网格生成：使用命名选择功能对电池、热管、流域、电池接口、热管接口、进出口等部件进行命名，按线性电池顺序生成默认电池尺寸为9.0434mm的网格。 网格划分方法
补丁贴合方法：应用于整个模型，将模型分成小补丁，分别为每个补丁创建网格，然后组合成完整网格，可更好地控制模型不同部分的网格密度和质量。
面网格划分：应用于流体进出口区域的表面，用于表面几何复杂或不规则难以用其他方法生成高质量网格的情况，可使用多种算法。 多区域方法：应用于整个流体域，体尺寸为2mm，将模型分成多个区域并为每个区域创建单独网格，适用于模型有复杂内部特征的情况，可更好地控制网格密度和质量。 体尺寸定义：用于定义整个模型或特定区域的网格尺寸或电池尺寸，适用于需要均匀网格密度或模型几何简单的情况，可快速生成网格，但对网格质量的控制不如其他方法。 ![]()
接口和壁面设置
接口：设计模块中有热管接口和电池接口两个接口，用于连接不同区域或组件以实现热量传递。 壁面：定义了电池壁和热管壁两个壁面，电池壁的属性包括热生成率（42400W/m³）和壁厚（0.00015m），热管壁不产生热且壁厚为0.00103 m），热管入口速度定义为0.2m/s。5.热分析与结果
数值计算方法和模拟设置：采用PISO（Pressure Implicit with Splitting of Operators）方法求解，该方法常用于计算流体动力学（CFD）模拟中解决纳维 - 斯托克斯方程。标准初始化从所有区域计算，运行参数为在一个报告区间和一个剖面更新区间内进行250次迭代。 ![]()
表2.边界条件
模拟结果呈现：给出了U - tube模块和Zig Zag模块的表面温度等值线图（图1(g)和图1(h)），在800次迭代且将多区域尺寸从2mm改为1mm时，电池界面温度趋于稳定。 ![]()
电池界面温度的面积加权平均值，U tube模块为399.04K（图1(h)），Zig Zag模块为398.88K（图1(i)）。通过对两种模块进行热分析可验证相关结果，主要关注电池界面温度，同时也可了解热管 - 电池相互作用等其他参数。![]()
表4.结果
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6.总结
温度控制的重要性：有效控制电池温度在规定范围内对防止热问题和优化性能至关重要，电池的工作温度范围对其功率输出和循环寿命有很大影响，维持适当的温度条件对最大化电池效率和寿命必不可少。 两种模块冷却性能比较：研究了交错式模块和Zig Zag模块的冷却能力，分析表明Zig Zag模块具有良好的冷却性能。 Zig Zag模块的优势在于能提供更均匀的冷却，确保电池所有区域都能得到适当的温度控制，减少热点或温度不平衡的可能性，使电池不易受到热应力影响；还具有更好的体积覆盖能力，能有效冷却电池更大的部分，改善整个电池的热管理，降低过热风险及相关并发症，有助于提高电池的稳定性、可靠性和整体性能。 结论和建议：对于需要高效冷却的电池系统，建议优先采用Zig Zag模块，其提供均匀冷却和扩展体积覆盖的能力使其成为需要可靠和高性能电池的应用的理想选择。
