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论文信息：
J. Pu, R. Li, Y. Li, H.
Zhang, M. Du, N. Hua, and X. Zhang, (2024). The novel stereoscopic cooling
plate designs and performance analysis of battery thermal management systems, Applied
Thermal Engineering 257 (2024) 124330.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.124330
电动汽车作为交通运输脱碳的主要解决方案，其中锂离子电池以其寿命长、能量和功率密度高、自放电最小而闻名，在这一转变中发挥了核心作用。然而，锂离子电池的工作效率、安全性和寿命受到其热环境的严重影响。已有研究表明，锂离子电池在15~ 35℃的温度和5℃以下电池间温差范围内效率最佳，因此，开发和优化有效的电池热管理系统(BTMS)至关重要。本工作引入了立体冷却板结构。这样可以减少电池组内的温差，同时通过增加传热表面积来降低整个系统的能耗。该研究首先评估并比较了不同布局的传统直通道LCP的热管理性能，突出了它们的优点和缺点。然后引入了新的立体冷却板结构，以进一步提高BTMS的性能。最后确定了最佳冷却结构，并分析了关键工作温度对其性能的影响。
在本研究中，锂离子电池组由20个串联电池组成，每个柱状电池尺寸为65mm × 18mm × 140mm。为了便于从电池到LCP的热量传递，每两个相邻的电池之间插入1毫米厚的铝板。对于基于LCP的BTMS，最初设计了三种典型的直通道lcp冷却结构，如图1(a)-(c)所示。第一种配置将LCP置于电池组的底部，称为底部冷却板(BCP)设计(见图1(a))。与BCP相比，第二种配置，侧面双冷却板(SDCP)设计，在侧面集成了双LCP，以增强电池组的热管理(见图1(b))。第三种配置包括位于电池组底部和双侧壁的LCP，称为底部双冷却板(BDCP)设计(见图1(c))。此外，在传统冷却结构的基础上，提出了两种新型立体冷却板(3DCP-A和3DCP-B)设计，如图1(d)和图1(e)所示。与三种典型的直通道LCP相比，3DCP的内部流道不仅在一个平面上，而且包裹在电池组的底部和侧面(见图1(f)和图1(g))。此外，从图1(g)中可以很容易地看出，3DCP-B可以有效地控制电池组中部电池的温度分布。在采用这两种新型冷却板模拟电池组的BTMS中，采用了两个相同的三维冷却板。![]()
图1不同LCP的原理图。BTMS具有(a) BCP， (b) SDCP， (c) BDCP， (d) 3DCP- a， (e) 3DCP- b设计，(f)直通道lcp， (g) 3DCP结构
首先，对BCP和SDCP设计的BTMS性能进行了研究和比较。在SDCP配置中，还考虑了冷却板入口的位置。具体来说，当两个冷却板的进口在同一侧，导致两个冷却板内冷却剂流动方向相同时，记为SDCP-A;反之，当进口位于不同侧面，导致冷却剂流动方向相反时，记为SDCP-B。图2显示了在t = 1080 s时，采用BCP和SDCP设计的整个电池组及其底部轮廓的温度分布。在BCP设计下，电池组温度沿冷却剂流动方向逐渐升高。由于冷却板位于电池组底部，因此冷却板出口侧电池组顶部会出现局部过热。电池组两端最高温度差达到3k。此外，电池组的底部轮廓显示低温分布。不同的是，SDCP设计有效地冷却了电池组的侧边，尽管对其中心区域的冷却能力相对较弱。在SDCP设计中，冷却剂的流动方向对电池组的温度分布有显著影响。在电池组的底部，SDCP-A设计呈现出高温区域的平行四边形分布，从而使每个电池单元的高温区域和低温区域的比例一致。相比之下，SDCPB设计展示了类似喇叭的高温区域分布，最大的区域位于冷却剂出口侧。
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图2 具有BCP和SDCP的BTMS温度分布(t = 1080 s，mco=10.0 g•s-1)。
图3显示了BCP和BDCP设计在整个泄流过程中的Tmax和ΔTmax。可以注意到，虽然BDCP和BCP设计的Tmax和ΔTmax曲线没有显著差异，但BCP设计的Tmax和ΔTmax始终低于BDCP设计。这说明在整个排气过程中，降低冷却剂流速对冷却性能的影响大于增加换热面积的影响，导致BDCP设计的冷却性能较弱。在t = 1080 s时，BDCP设计下的Tmax和ΔTmax分别比BCP设计增加了0.52 K和0.27 K。然而，值得注意的是，与SDCP设计相比，BDCP和BCP设计之间的冷却性能差异相对较小。图3BTMS与BCP和BDCP的Tmax和ΔTmax (mco=10.0 g•s-1)。
图4描述了冷却剂进口位置对3DCP设计温度分布特性的影响。对于3DCP设计而言，将冷却剂入口设置在底部表面，将冷却剂出口相应设置在侧面表面，与侧表面的冷却剂入口相比，可以获得更好的电池冷却性能。具体来说，当mco = 20.0 g•s-1时，与侧面冷却剂进口相比，底部冷却剂进口的3DCP-A和3DCP-B设计的Tmax和ΔTmax分别降低了1.6 K和2.8 K。此外，与3DCP-A设计相比，3DCP-B设计在电池组中部加入了一个冷却段，可以有效地对中部进行热管理。因此，整体温度均匀性得到改善，特别是当与底部冷却剂入口配置相结合时。这将显著降低Tmax和ΔTmax。其中，当mco = 5.0 g•s-1且冷却剂入口位于底部表面时，3DCP-B设计的Tmax和ΔTmax分别只有303.3 K和4.3 K，比3DCP-A设计分别降低了0.87 K和0.89 K。因此，对于3DCP设计，后续的分析是基于冷却剂入口位于底部表面的配置。图4 3DCP作用下BTMS的温度分布(t = 1080 s, m˙co= 20.0 g•s-1)
另外，图5描绘了不同Ta下3DCP-B设计的冷却效果，本部分研究是在Tin = 298.0 K的条件下进行的。Ta与Tmax和ΔTmax均呈正相关。当Ta从293.0 K增加到303.0 K时，Tmax和ΔTmax分别增加2.2 K和1.7 K。值得注意的是，当Ta≥298.0 K时，ΔTmax已经超过5.0 K。由于本节讨论的是在2.5 K间隔内Ta从293.0 K到303.0 K的变化，因此在初始放电过程中，五种情况之间的Tmax差异为2.5 K。然而，接近放电结束时，相邻工况之间的Tmax平均差值仅为0.55 K。这一结果表明，Ta对Tmax的影响在初始放电过程中表现得最为显著，但这种影响在放电结束时逐渐减弱。虽然上述研究表明，立体冷却板的电池热管理性能优于传统的直流道冷却板，但其复杂性的增加显然导致了制造成本的增加和冷却剂泄漏的风险增大。因此，未来的研究可以进一步探索基于3DCP-B的BTMS的功效，包括优化流道排列，提出新的设计。
图5 利用3DCP-B研究Ta对Tmax和ΔTmax的影响。
综上所述，传统直流道冷却板的放置策略对电池组温度分布有显著影响。与BCP设计相比，多冷却板导致每个冷却板的冷却剂流速降低，从而导致电池组的热管理效率降低。然而，多冷却板可以减少电池单元之间的热性能差异。在所研究的运行条件下，与BCP相比，BDCP下电池组两端电芯之间的最高温度差平均降低了20.8%。新型立体冷却板结构的热管理性能突出。与BCP设计相比，3DCP-A和3DCP-B的最高温度分别降低了1.6 K和2.5 K，最大温差分别降低了23.8%和35.9%。与其他结构相比，3DCP-B可以以更小的功耗完成电池热管理任务。3DCP-B的功耗仅为传统BCP的6.0%。在进口温度高、环境温度低的条件下，在初始排放过程中最高温度迅速上升。然而，在低进口温度和高环境温度条件下，最大温差可能超过期望的最佳工作范围。
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