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新型W型并行风冷电池热管理系统实现高效冷却
发布时间：2026-04-01 22:39:11 点击： 次
温室气体浓度持续上升推动电动汽车普及，这要求高效的电池热管理系统来保障锂离子电池的安全与性能。本研究针对单体电池风冷式热管理系统，提出一种具有对称双进口、单出口平行气流结构的新型W型流道。通过ANSYS Fluent 2022 R1进行的数值模拟研究，评估了流道厚度、次级入口高度及质量流量对热力学与流体力学性能的影响。该系统基于四项关键性能参数进行评估：平均温升、温度梯度、努塞尔数以及风扇功耗。采用层次分析法确定最优W型流道构型。研究结果表明，在质量流量为1.46×10−4kg/s优化后的W型流道在5毫米流道厚度和25毫米次入口高度的配置下，虽能达到预设温度限值，但无法满足温度梯度建议的安全限值。将质量流量提升至4.36×10−4kg/s优化后的W型流道将通道厚度调整为10毫米、次级入口高度设为20毫米，使温度梯度提升59.1%、温升降低21.8%，但未能通过热工水力性能测试。采用多次级入口W型流道结构后，平均温升进一步降低67.62%，努塞尔数提升近3倍，温度均匀性显著改善。通过采用次级入口高度渐变的多元入口构型，压降再降低32。89%，同时努塞尔数增加6.8%，最终实现卓越的综合热工水力性能。
引言
近年来，电池化学成分方面取得了显著进展以减少产热，同时结合外部机制增强散热能力并维持最佳工作温度。本研究聚焦于独立于化学成分与改动的电池外部热管理系统。在多种技术中，风冷式电池热管理系统（BTMS）因其结构简单而备受关注。风冷式电池热管理系统（BTMS）具有系统复杂度低、整体重量轻、维护需求少以及开放式循环运行等优势，后者可直接将热量排放至环境中而无需辅助冷却部件[9]。基于这些优点，包括日产Leaf和本田Insight在内的多家商用电动汽车制造商已采用风冷式BTMS[10]。
尽管上述讨论的空气冷却式电池热管理系统（BTMS）具有诸多优势，但由于空气的热容较低[11][12]，该方案会导致电池包内部出现较大温差。此外，当电池需要高倍率充放电时，基于空气冷却的热管理系统需要更大的体积流量来抑制不受控的温升。这些挑战凸显出研究和设计高效先进空气冷却热管理系统的必要性，此类系统需在保证功耗可控的前提下，确保温度及温度梯度始终维持在安全限值以下。
为提升热管理系统的冷却性能，学者们还研究了电芯排列方式的优化方案。例如，Wang等[13]通过对比矩形、方形、六边形及圆形四种电芯排列结构在不同气流方向下的表现，发现方形排列具有最佳冷却性能，而六边形排列则更有利于空间高效利用。Kang等[14]研究了自然对流条件下电池单元的排列方式，得出矩形排布模式在自然通风条件下能更有效地降低最高温度。张等人[15]研究表明，当电池组放电速率维持在1C、2C和3C时，环形排布在最高温度与温度梯度方面表现最差。为将电池组维持在所需温度范围内，建议采用7毫米单元间距的直线型排布方案。类似地，Fan等学者[11]对三种排列方式（顺排、错排与交叉排布）进行了研究，发现相较于其他排布形式，顺排结构在实现最佳冷却性能的同时具有最低的能耗。
研究人员探索的其他通过空气冷却方法提升热性能的策略包括优化气流通道设计。Pearson等人[7]采用数值模拟方法对比了串联通风与并联通风技术在电池热管理系统(BTMS)中的应用。结果表明，并联通风冷却技术能更有效地将电池组最高温度及温度梯度控制在阈值以下。Mahmud等人[16]则通过数值模拟与实验相结合的方法研究了往复式空气冷却BTMS。 %% 研究证实，往复式空气冷却BTMS可使最高温度降低1.5°C，并使温度梯度减少与一维流动系统相比，Xun等[17]在其研究中得出结论：增大流道直径虽能提升冷却效果，但会阻碍温度分布的均匀性。为改善热性能与温度分布特性，研究者们已探索了U型与Z型等多种流道构型。Park等[18]通过数值模拟研究了进出口同侧布置的U型流道，采用渐缩式入口设计以实现电池组内空气分配与散热的优化。Sun等学者则对Z型流道开展了研究。4°C[19]针对软包电池的研究。他们证实带锥度管道的Z型结构能有效降低气流波动并改善温度梯度。Hong等[20]通过在连接腔体上部设置二次通风口改进了基本Z型风道，实验数据表明其可实现最高5K的温降和60%的温度梯度改善。lu等学者对Z型与U型结构进行了详细对比研究。[21]采用交错排列电池组的实验表明，U型电池热管理系统(BTMS)的最高温度与温差可控制在3K以内。Liu等[22]另一项研究提出结合Z型与U型结构形成J型方案，以满足电池组最佳性能需求。类似地，Zhang等[23]采用U型和Z型电池热管理系统(BTMS)组合形成T型BTMS，证实了在电池垂直排列且电池箱以41.5°倾角倾斜的工况下，T型结构具有更优的冷却性能与更低能耗。Luo等[24]提出了X型风冷BTMS，验证优化后的X型BTMS能显著提升热性能——最高温度降低4K，温差缩减幅度达76.5%。
在缩短流道长度的设计中，采用非对称流道布局是缓解电池组温升的有效策略。近期研究[25]证实了流道几何形貌调控如何通过调节局部流动特性来提升系统整体性能。多数研究者选择对称气流结构作为优化目标，因其具有功耗低且能实现电池包内部气流均匀分布的优势。当前主流风冷式电池热管理系统设计主要集中于利用共享流道实现Pack层级或Module层级的冷却。因此，流道入口区域附近的电池单元会获得更高效的冷却效果，而出口附近的电池单元则处于较高温度环境，导致持续的热不均匀性。尽管已对流道进行了多项优化以缓解该问题，但单体电池间的温度失衡仍是挑战。为解决这一问题，需将研究重点从电池包层级转向专用于单体电池的冷却技术。根据现有文献调研，针对采用独立风道的棱柱形单体电池空冷BTMS构型的研究明显不足，甚至完全空白，这揭示了明确的研究缺口。
为填补这一空白，本文提出了一种采用新型W型流道（WTFC）的电池单体制冷策略。该设计基于双进单出对称结构的平行气流，以最小化功耗。针对这种新型W型流道的热性能，我们开展了详细的数值研究，考察了不同风速下二次进风口和流道深度的变化，并进一步应用层次分析法（AHP）技术，从所有研究的WTFC中确定了最优流道方案。
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