DOI Link:
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https://scholar.google.com/citations?user=KvoVCBoAAAAJ&hl=en&oi=sra
ScienceDirect:
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=7406520546
UniversityWeb:
https://www.jcu.edu.au/college-of-science-and-engineering/meet-our-academic-teams/engineering-staff/professor-wenxian-lin
Received: 22 May 2024
1. 科学问题
LIB的液冷热管理数值模拟
GA
2. BTMS的分类
BTMS的分类1：
混合BTMS：
BTMS的功能：
Fig. 1. Classification of different types of BTMSs
可以根据不同标准对LC-BTMS进行分类：
1. 根据电池设计分类： 商业应用中有三种不同形式的锂离子电池（LIB）：软包电池、方形电池和圆柱形电池。 软包电池机械强度较低，容易受物理力量损坏，不适合在电动汽车（EVs）中使用。 2. 根据冷却通道布局分类： LC-BTMS装置可以根据冷却通道的布局进行分类。 冷却板（CP）和基于通道的LC-BTMS设备在商业应用中被广泛使用和研究。 3. 根据热量提取位置分类：
可以根据热量提取的位置对LC-BTMS设计进行分类，如外壳、端子，或两者结合。 4. 根据使用的热传导流体分类： 还可以根据使用的热传导流体类型对LC-BTMS进行分类。
2.2.1 冷板式冷却
1. Fig. 3(a) & Fig. 4：
研究对象：对圆柱形18,650锂离子电池的LC-BTMS设计进行数值研究。
电池排列：电池包中有48个电池，两端设置冷却板。
流动雷诺数（Re）的影响：随着Re的增加，电池包温度下降，达到一定值后变为稳定状态。最优Re值为475。
冷却滞后现象：流量增加时，电池温度并不会立即下降，而是存在滞后效应。
放电速率对温度的影响：在不同放电速率（C值）下，电池表面温度随流量增加迅速下降，随后趋于恒定。
2. Fig. 3(b)：
研究对象：对一种相变材料（PCM）+ LC-BTMS混合系统进行数值评估。 电池模块设计：六边形电池模块包含圆柱电池、PCM和CP。 研究结果：
最大电池温度（Tmax）保持在309.15 K以下，温差控制在3.8 K以下。 蜂窝通道的压力降低于11.95 Pa。 与直通道冷却板相比，蜂窝通道冷却板性能更好，这归因于蜂窝结构中的流体搅拌更加剧烈，提升了换热效率。
研究对象：对微通道为基础的LC-BTMS进行数值评估。 设计细节：在电池包中的每个电池周围设计有一个薄金属外套，并附有八个微通道。 研究结果：通过研究通道内流动方向对最大温度（Tmax）和温差（∆T）的影响，结果显示该设计能够将Tmax保持在40°C以下。
研究对象：对一种新型模块化LC-BTMS进行实验和数值研究，以评估其热性能。
设计细节：模块化设计包括一个长方形通道，两侧有错开的凹槽用于放置圆柱形电池。
流动布置：研究了并联和串联流动布置在3C放电速率下的表现。
研究结果：并联流动通道的LC-BTMS设计表现优于串联布置，能够将最大温度（Tmax）保持在37.67°C，温差（∆T）控制在5.76°C。
研究对象：对一种渐变通道设计（GCD）的LC-BTMS进行了数值和实验研究。
设计对比：将GCD与均匀大通道设计（ULCD）和均匀小通道设计（USCD）进行对比。
研究结果：与ULCD和USCD相比，采用最优GCD的电池模块在整个流量范围内，尤其是在低入口流量时，显著降低了温差，有效减少了外部功耗。
Fig. 7：
研究对象：对使用液态金属（镓铟合金，Ga80In20）作为冷却传热流体（HTF）的LC-BTMS进行了研究。
系统对比：将液态金属作为HTF的系统与使用水作为HTF的系统进行比较。结果表明，液态金属的冷却效果远优于水。
可变流速策略（VFVS）：根据放电速率和环境条件设计了VFVS，并与传统的恒定流速策略（CFVS）进行比较。结果显示，VFVS在保持相同Tmax的情况下，泵功耗比CFVS减少了47%。
Fig. 7. Variation of Tmax with depth of discharge (DOD) for water and liquid metal as the HTF at different flow velocities
Fig. 8(a)：
研究对象：对一种改进的Tesla-S模型BTMS设计进行了数值研究。
设计细节：在蛇形管两侧引入了挡板以改善流体混合，使用伪二维（P2D）模型模拟电池的热量生成。
研究结果：该LC-BTMS设计的改进显著提升了换热效率。 Fig. 8(b)：
研究对象：在振动环境下研究了三种不同设计的LC-BTMS的热性能。
三种设计：
1. 普通矩形通道。 2. 两侧墙相对位置有凸起的矩形通道。 3. 两侧墙交错排列凸起的矩形通道。
研究结果：
普通矩形通道在振动下无明显影响。
第二、三种设计由于在凸起区域产生涡流，振动环境下换热效率有所提升，第三种设计的壁面平均努塞尔数（Nusselt Number）是第一种设计的两倍。 Fig. 8(c)：
研究对象：研究了全尺寸圆柱形电池包的LC-BTMS热性能。
设计细节：设计了包含波状矩形管及微通道用于HTF流动的系统，电池包由22个模块组成，共含有5664个18,650类型锂电池。
研究结果：该设计在0.5C和1C放电速率下，分别能将电池温度控制在40°C和11°C以下。随着HTF流量的增加，系统性能有所改善。
Fig. 9(a)：
研究对象：对由聚合物中空纤维构成的LC-BTMS设计进行了数值研究。
设计细节：在圆柱形电池的周围交替设置了冷、热管道。
研究结果：在1C放电速率下，该设计的最大温度（Tmax）范围为49°C–35°C，温差（∆T）范围为14.6°C–4.6°C。
Fig. 9(b)：
研究对象：对包含螺旋螺纹型外套的LC-BTMS设计进行了数值研究，该设计使用半螺旋管包裹圆柱形电池。
研究参数：研究了液体流速、螺距、直径和起始点数量的影响。
研究结果：随着进气质量流量从1 × 10⁻⁵ kg/s增加到3 × 10⁻⁴ kg/s，最大温度（Tmax）从66.7°C降至30.8°C，温差（∆T）从31.8°C降至5.4°C。
Fig. 9. Flexible circular channel-based LC-BTMS designs for cylindrical LIB
Fig. 10(a)：
研究对象：比较了通道冷却热沉（CCHS）设计和微通道冷却圆柱体（MCC）设计的热性能。
研究结果：
随着流量增加，两个系统的热性能均有所改善。
优化后的MCC和CCHS能够将最大温度（Tmax）和温差（∆T）保持在213 K和5 K以下。
MCC设计提供了优于CCHS的冷却能力，但其设计复杂性带来了经济可行性的问题。
Fig. 10(b)：
研究对象：对包含冷却块、HTF管和圆柱形锂离子电池的LC-BTMS进行数值研究。 研究参数：研究了电池间距和冷却块材料的影响。 材料比较：比较了铝（Al）和复合蜡/金属材料（CW）。 研究结果：冷却块材料和电池间距对冷却性能有显著影响，10 mm的电池间距和5% CW材料提供了最佳结果。
Fig. 10(c)：
研究对象：比较了两种LC-BTMS的热性能。
设计细节：设计包括铝框架、HTF管和圆柱形锂离子电池。
布局比较：一种布局中HTF管水平布置，另一种布局中HTF管垂直布置。
研究结果：
垂直HTF管的配置表现显著优于水平布置。
随着HTF流量和管径的变化，冷却性能有所改善。
优化设计在3C放电速率下，Tmax和∆T分别限制在30°C和2.88°C。
Fig. 10(d)：
研究对象：评估**蜂窝冷却外套（CCJ）**型LC-BTMS的热性能。
研究参数：研究了HTF流量、管径和流动方向的影响。
研究结果：
交错流动方向能够实现更好的温度均匀性。 随着HTF流量和管径的增加，冷却性能得到了改善。 对比了水和50%GAS（甘油水溶液）作为HTF的冷却效果，结果表明50%GAS的表现更优。
Fig. 10. Block-based LC-BTMS designs
Fig. 11(a)：
研究对象：评估了一种直接接触型LC-BTMS的热性能。
设计细节：电池模块包含25个圆柱形电池，使用水作为热传递液（HTF）。
比较结果：与无水流动的情况相比，设计系统在5C放电速率下的最大温度（Tmax）和温差（∆T）分别为28°C和0.12°C，而自然对流情况下温度升高至60°C。 Fig. 11(b)： 研究对象：评估了一种包含无泄漏容器、分隔器和铜模具的LC-BTMS热性能。 设计细节：通过分隔器设计了蛇形液体通道，使用含有银氧化物纳米颗粒（体积分数为1%、2%和3%）的水作为HTF。 研究结果：使用纳米流体的设计系统能够将Tmax和∆T分别保持在305.59 K和1.07 K以下，显示出显著的热性能提升。 Fig. 11(c)：
研究对象：评估了两种LC-BTMS设计的比较，设计一包括通道（案例I），另一种不含通道（直接接触，案例II）。
研究结果：案例II的冷却性能显著优于案例I，原因在于热阻较小。
Fig. 12(a)：
研究对象：评估了混合AC + LC-BTMS的热性能。
设计细节：液体冷却中使用了冷却块，研究了冷却块数量的影响。
研究结果：仅使用液体冷却时，Tmax和∆T分别为34.41 °C和1.53 °C。当加入空气冷却后，Tmax和∆T分别减少了3.75 °C和0.96 °C。 Fig. 12(b)：
研究对象：评估了另一种混合AC + LC-BTMS的热性能。
设计细节：液体冷却中，圆柱形LIB电池放置在波纹通道中，空气则通过通道外表面流动。
研究结果：随着冷却通道宽度的增加，冷却性能得到了改善。同时，Tmax和∆T随热传递液（HTF）流速的增加而降低，但冷却效率则下降。设计系统在4C放电速率下能够维持LIB的温度标准。 Fig. 12(c)：
研究对象：同时进行了数值和实验研究以评估混合AC + LC-BTMS的热性能。
设计细节：与仅使用液体冷却的BTMS进行了比较。
研究结果：开发的混合系统的冷却性能比单独系统提高了28%，其中设计系统的Tmax和∆T分别为35 °C和1.4 °C。
主要操作特性：
研究最广泛的操作属性包括流量、流向、进口热传递流体（HTF）温度和环境温度。
环境温度受周围环境影响，通常根据特定地理区域的环境温度来确定。
进口HTF温度在大多数研究中选择范围为**−10 °C 到 30 °C**，较低的HTF进口温度通常能改善设计性能。 流量的影响：
多项研究表明，HTF流量对LC-BTMS性能的显著影响。
有些研究发现，LC-BTMS设计的性能（以Tmax为标准）在HTF流量初期增加时有所改善，随后趋于平稳。
随着流量增加，∆T有显著提升。
流向的影响：
HTF流向对Tmax和∆T也有显著影响。
多项研究考察了单向、反向和往复式流动模式。
往复式流动安排在Tmax和∆T方面效果显著。
主要HTF类型：
纯水被广泛使用，主要原因是水具有良好的热物理性能且对泵的功率需求较低。
低于0 °C的HTF使用：
在HTF温度低于0 °C时，采用了水和乙二醇（EG）的混合物，因为这种混合物的冰点较低。
纳米颗粒的使用：
在水中使用导电纳米颗粒，并发现使用纳米颗粒能显著改善系统性能，但同时增加了泵的功率需求。
液态金属的使用：
使用液态金属作为HTF，目前尚未对液态金属作为电动车HTF的其他经济、健康和环境方面进行详细研究。
Fig. 14. Pie chart showing the HTF types reported in the selected LC-BTMS investigations for cylindrical LIBs.
2.3 方壳锂电池的液态热管理
Fig. 15(a)
研究对象：评估基于微通道的LC-BTMS的冷却性能。
设计细节：研究了冷却板宽度、微通道间隔和质量流量的影响。
研究结果：最佳参数为冷却板宽度90 mm、微通道间隔4 mm和质量流量80 g/s，对应的Tmax和∆T分别为301.57 K和3.10 K。 Fig. 15(b)
研究对象：研究基于冷却板的LC-BTMS，具有平行液体通道。
设计细节：优化了通道高度和HTF流速，分析热接触电阻的影响。
研究结果：HTF流速的影响大于通道高度，采用优化策略能使能耗减少80%。 Fig. 15(c)
研究对象：评估锥形歧管型LC-BTMS的热性能。
设计细节：与传统矩形歧管型LC-BTMS进行比较。
研究结果：开发的系统能有效维持电池的Tmax和∆T，同时功耗比传统设计低86.3%。 Fig. 15(d)
研究对象：研究改进通道设计的冷却板LC-BTMS性能。
设计细节：在整套电池包上测试该系统，并与市售LC-BTMS进行了比较。
研究结果：所设计的LC-BTMS在Tmax和∆T方面分别比市售产品低1 °C和2 °C。
Fig. 16(a)
研究对象：研究纳米增强的LC-BTMS的效果。
设计细节：考虑了三种基础液体：水、乙二醇（EG）和发动机油（EO），并与Al2O3纳米颗粒进行测试。冷却系统采用平行微通道的冷却板。
研究结果：添加纳米颗粒显著提高了LC-BTMS的有效性，但同时也显著增加了泵送功率。 Fig. 16(b)
研究对象：实验研究微通道型LC-BTMS中的流动沸腾。
设计细节：使用平行通道的冷却板，并采用沸点为34 °C的介电氟烷烃液体作为HTF。
研究结果：设计的系统在5C放电率下能够将模块温度保持在40 °C以下。分析不同流速的影响发现，随着HTF流速的增加，冷却速率得到了改善。
2.3.2 蛇形HTF通道
Fig. 17(a)
研究对象：评估带有蛇形HTF通道的LC-BTMS设计的冷却性能。
设计细节：研究了七种不同的HTF流动配置。
研究结果：与单入口和出口的冷却板通道相比，具有两个入口和出口的设计在热管理方面表现更好。将通道的进气口和出口放置在对侧而非同侧具有优势。增加流体流速有效降低了电池单元的Tmax，但对电池间的温度差异影响不大。 Fig. 17(b)
研究对象：研究带有蛇形HTF通道的LC-BTMS设计中不同通道配置的影响。
设计细节：设计包括冷却板、L型铝散热片和棱柱形LIB。研究了四种液体通道配置：平行螺旋、平行U型、串联螺旋和串联U型蛇形通道。
研究结果：平行配置的Tmax和∆T相对低于串联配置，特别是平行螺旋蛇形通道的表现更佳。同时，对平行螺旋蛇形通道的优化设计也得到了报道。 Fig. 17(c)
研究对象：评估带有蛇形HTF通道的LC-BTMS设计的冷却性能。
设计细节：研究了三种不同的流动连接配置。
研究结果：采用错位的进气口和出口配置在冷却性能方面表现最佳，设计系统能够将电池组的Tmax保持在311.25 K以下。
Fig. 18(a)
研究对象：评估和优化带有U型HTF通道的LC-BTMS设计的冷却性能。
设计细节：使用多目标遗传算法对冷却板进行优化，目标是实现高热散失率和低压降。
研究结果：优化设计能够在不增加制造复杂性的情况下，将模块的Tmax和∆T偏差分别降低1.85 °C和0.35 °C。 Fig. 18(b)
研究对象：优化带有U型HTF通道的LC-BTMS设计中的HTF流速。
设计细节：在放电过程中使用三种HTF流速，设计了基于正交阵列的十三种组合，并通过响应面法（RSM）进行优化。
研究结果：使用优化的流速组合相比于恒定流速，实现了相同的冷却效果，但功耗减少了43.56%。
Fig. 19(a)
研究对象：评估带有螺旋通道的CP基LC-BTMS的热性能。
设计细节：采用螺旋通道设计。
研究结果：设计的LC-BTMS能够将Tmax、∆T和压降分别控制在34.65 °C、3.95 °C和8.82 Pa以下。 Fig. 19(b)
研究对象：评估带有树状通道的CP基LC-BTMS的热性能，并与传统的蛇形液体通道系统进行比较。
设计细节：对设计的几何参数进行了优化。
研究结果：优化设计的Tmax、∆T和压降比传统LC-BTMS分别降低了1.79%、69.25%和79.13%。 Fig. 19(c)
研究对象：改进CP基LC-BTMS中的液体通道设计。
设计细节：研究了四种不同配置的鱼骨型设计。
研究结果：单入口双出口对称的生物仿生鱼骨通道（D2）设计提供了最佳结果，优化设计的Tmax、∆T和压降分别为35.4 °C、8.6 °C和3106.9 Pa。 Fig. 19(d)
研究对象：评估带有蜂窝状通道的CP基LC-BTMS的热性能。
设计细节：研究了HTF流速的影响。
研究结果：随着HTF流速的增加，冷却性能改善，但在达到某一流速后趋于稳定。0.1 m/s流速时的Tmax和∆T分别为302.5 K和4.1 K。
Fig. 19. CP with miscellaneous-shaped HTF channel-based design
Fig. 20(a)
研究对象：评估带有针状翅片的CP基LC-BTMS设计的性能。
设计细节：研究了翅片形状、数量和分布对性能的影响。
研究结果：发现方形翅片在降低Tmax和压降方面表现显著优于其他设计。Tmax随着翅片数量的增加而降低，但压降却随之增加。 Fig. 20(b)
研究对象：设计并评估了一种轻量级的LC-BTMS，用于棱柱形LIB。
设计细节：LC-BTMS由一个薄金属板作为翅片和周围微管组成，用于HTF的通道。
研究结果：在选择的配置中，D22和D24能够将Tmax和∆T保持在安全水平，分别低于40 °C和5 °C。
Fig. 20. CP with other miscellaneous-shaped HTF channel-based designs
4. 待解决的问题
相对热传递面积的优化
相对热传递面积与系统性能呈正相关，但过高的面积会导致系统复杂性增加和成本上升。因此，需对LC-BTMS的热传递表面积进行优化。
热传递流体（HTF）的流动方向
HTF的流动方向对LC-BTMS的性能至关重要。文献中发现最有效的流动方案是往复流动方案，但这种方案需要额外的主动组件，因此需要进行全面的研究，以评估系统的整体性能。
非常规HTF的应用
使用液态金属和超临界CO2等非常规HTF可提升LC-BTMS的性能。然而，这些非常规HTF在电动汽车（EV）中的经济性、健康和环境影响尚未得到充分研究，需进一步探索。
纳米增强HTF的优化
纳米增强HTF比传统HTF表现更优，但使用时泵送功率增加是最大的障碍。因此，需针对不同的LC-BTMS设计优化纳米增强HTF。
复杂通道设计的压力损失和制造成本问题
对于棱柱形LIB的LC-BTMS，使用蛇形和各种通道形状的冷却板（CP）可显著提高热传递率，但复杂的HTF通道导致压降和制造成本增加。未来工作应着重于减少HTF通道的压力损失，以便商业化这些LC-BTMS设备。
针对中型和重型车辆的改进
大多数研究中LIB的放电率在1–5C之间，适用于轻型车辆。然而，中型和重型车辆的放电率较高，因此需进一步研究以改进这些车辆的LC-BTMS。
高环境温度下的系统性能分析
大多数情况下研究的环境温度在293–303 K范围内，而热带气候中的环境温度更高，可能影响系统整体性能。因此，需分析在高环境温度下这些系统的性能。此外，高环境温度下保持HTF温度在所需范围内需要更多能量，这将降低车辆的整体续航能力。未来可以进行进一步分析，以评估在炎热气候区域的电动车整体性能。
热失控和热传播的考虑
对于LC-BTMS的全面分析，需要考虑热失控和恶劣场景下的热传播。目前已对这些场景的数值建模进行研究，但由于复杂性尚未在LC-BTMS分析中应用。未来的数值研究可以考虑极端条件。
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