一种新型冷却套套，具有周期性横截面通道和微封装相变浆液，以增强NEC锂电池的热管理

由于快速产生的热量和高运行温度，动力电池在热管理方面面临重大挑战。提高冷却效率是持续的目标，因为传统方法如被动和基础液冷系统往往无法完全满足这些热管理需求。为此，本文提出了一种创新的电池冷却护套，结合了周期性可变截面通道与微封装相变浆液（MEPCS）。该冷却夹套的设计理念是通过周期性可变截面通道增强冷却液与电池之间的对流热传递，同时使用微封装浆料提升冷却介质的热容量。为了探讨结构参数（如通道高度和流通道间距）以及浆料物理参数（如胶囊质量分数和流速）对冷却性能的影响以实现优化，建立了并验证了集成液冷通道的冷却夹套系统的三维物理模型。利用该验证模型，研究分析了各种参数对冷却性能的影响。结果表明，优化通道高度和浆料参数可以显著提升冷却效率。具体来说，这些参数存在最优值以最大化性能，而偏离这些值则会降低效果。所提的电池冷却套及相关研究为提升动力电池冷却系统提供了新的视角。该方法带来了热管理的重大进展，为提升新能源车冷却解决方案的效率和效能提供了宝贵见解和实际意义。

图形摘要

全球能源消耗的快速增长引发了人们对传统化石燃料枯竭和环境污染的担忧[1]。在此背景下，电动汽车代表了从传统化石燃料向可再生能源转型的重要进展。锂离子电池常用于电动汽车，具有轻便结构、高比能密度、低自放电率和可回收性等优势[2]。然而，这些电池面临诸多挑战，包括温度不均匀以及电池组内运行时温度大幅上升。研究表明，锂离子电池的最佳工作温度范围为25°C至40°C，单个电池间温差小于5°C[3]。为了有效管理电池温度，高效的电池热管理系统（BTMS）至关重要。BTMS的冷却方法包括风冷、液冷、热管冷却和相变材料冷却（PCM），每种方法都采用不同的热传导介质[4]。
空气冷却是最早用于电池热管理的方法之一[5]。然而，其在更复杂的电池组结构中效果可能受限[6]。例如，Sabbah等[7]发现，在环境温度为45°C时，尽管调整了气流速率，电池组温度仍无法降至55°C以下。Muhamud等人[8]证明，往复气流可以将电池组内的温差减少约4°C。 为提升空气冷却性能，Gao等人[9]添加了纯铜鳍片以增加对流热传递面积。尽管有这些改进，Nelson等人[9]观察到，单靠空气冷却可能无法满足大容量电池组的需求，尤其是在高温环境下。
相变材料（PCMs）因其在相变过程中吸收大量热量的能力，能够保持几乎恒定的温度[10]。Hallaj等人[11]于2000年首次将PCM应用于锂离子电池热管理，展示了使用PCM时温度更均匀的。Khateeb 等人[12]使用石蜡作为PCM以降低电池组的最大温度和温度变化。Mills等人[13]开发了石蜡/石墨复合PCM，减轻了系统重量，而Zhang等人[14]利用石墨/石蜡复合材料提升了热导率，显示出相较空气冷却显著较低的温度上升。然而，在大多数情况下，由于材料导电性低，PCM冷却性能并不令人满意。为了提升BTMS性能，研究人员探索了将PCM冷却与传统方法结合。Mehrabi-Kermani 等人[15] 集成了带有强制风冷功能的 PCM-铜泡沫复合材料，提升了散热和温度控制。Zhong等人[16]开发了PCM与液冷耦合系统并进行了数值模拟，发现PCM的液体体积分数和热导率对性能有显著影响。Sepher等人[17]提出了一种结合PCM与液冷的混合系统，展示了其简单性和有效性。尽管取得了这些进步，PCM的热导率低和体积变化等挑战依然存在。为此，微封装相变浆液（MEPCS）成为一种有前景的替代方案。Bai 等人[18]证明，MEPCS 在锂离子模块冷却方面优于传统 PCM。Wen等[19]引入了结合MEPCS和PCM的混合BTMS技术，以应对高温和延长潜热回收时间，进一步验证了MEPCS的有效性。
液冷因其高效、结构紧凑且实用性高，是电池热管理的首选方法。已有许多尝试提升液冷BTMS的冷却效率。根据电池是否直接接触液体，冷却系统可分为直接冷却和间接冷却。直接冷却系统将电池浸入介质中，如矿物油、硅油等。正如Li等人[20]综述论文总结，浸没式冷却的传热系数（HTC）范围为7.6 W/（m）²⋅K）到235.6 W/（m）²⋅K），可控热通量（MHF）范围为20.6 W/m²至1690 W/m²，在0.5摄氏度至7.5摄氏度的放电率下。而对于间接液冷系统，电池通过冷却板、护套或管子与冷却液分离。冷却板是安装在电池一面或多面的薄金属结构，内部有一个或多个冷却通道，用于散热。本质上，不同冷却板的区别在于内部冷却通道的配置不同。这些通道可以是蛇形、U形或其他仿生形状。Fan等人[21]提出了一种具有双层树突通道的液冷系统，将最高温度从52.59°C降至39.3°C，并将表面温度的标准差从5.31°C降至1.96°C。 在另一项研究[22]中，他们提出了双层树状通道冷却板，证明在相同热传导表面积下，优化设计相比蛇纹石网络分别降低了最高温度和69.25%的表面温度标准差。Akbarzadeh 等人[23]提出了一种结合传统液冷与相变材料（PCM）的混合冷却板。该设计比体积等效的传统铝制液冷板（LCP）轻36%，同时提供有效的热管理，并减轻冷停时电池温度下降。根据Li等人[20]的综述论文，基于板式冷却系统的HTC范围为2.4至748.7 W/（m）²⋅K），MHF的电压范围为92.2至7000瓦/米²，在放电率下，温度从0.8摄氏度到5摄氏度。一般来说，冷却板更适合棱柱形电池或袋状电池[24]。
冷却管广泛用于电动汽车的电池TMS。唐[25]提出了多通道波浪管设计，用于液冷圆柱形锂离子电源电池模块。波浪形管包裹电池，通过热传导散热。分析了波浪接触角和质量流量对电池模块热行为的影响。研究发现，随着波浪接触角和质量流量的增加，模块内电池表面的最大温差和温差会减小。为增强冷却管电池热管理系统的碰撞安全性，廖氏等人[26]获得了一项专利（美国专利号10,950,834），提出了一种新型波浪冷却管配置。该设计采用可压碎管结构，能够在碰撞时吸收冲击能量，从而提升电池组和冷却管的机械完整性和安全性。此外，为了提升波浪管的冷却效率，谢等人[27]在微通道中增加了挡板，并研究了挡板高度和数量的影响。研究发现，电池模块冷却微通道中新增的挡板增强了电池与冷却液之间的热传递，且通过增加挡板的高度和数量，尽管压降更大，也能进一步增强热传导效果。
冷却套是电池冷却的另一种方式，尤其是圆柱形电池，因为冷却套可以包裹整个电池，使系统散热面积更大[24]。Zhang 等人[28]在电池表面和冷却管之间放置了柔性石墨板，冷却管作为电池的冷却套。采用这种冷却套设计，可以获得良好的冷却性能，电池单元的最大温差保持在5°C以下。 Rao等人[29]提出了一种铝块护套，其夹套与圆柱形电池单元之间接触面积可变。当进气速度为0.05米/秒时，电池模块的最高温度控制在40°C以下。Wang 等人[30]提出了一种模块化电池液冷系统，其中铝制冷却单元作为电池单元的冷却套。结果显示该冷却模块冷却性能良好，流向布局III的最大温度为35.74°C，温差为4.17°C。一般来说，圆柱形电池更适合用于冷却夹套[24]。
从上述分析得出结论，关于冷却夹套有一些研究，但关于冷却夹套流道优化的研究较少。通过MEPCS与优化冷却套的结合，预计冷却效果将进一步增强。然而，关于MEPCS在套筒冷却系统中的应用研究仍然稀少。基于液冷和增强传热原理，本文提出了一种带有内置液冷通道的新型电池冷却套装。该研究利用数值模拟研究冷却通道几何形状和MEPCS物理参数对系统冷却性能的影响。