竖直和螺旋散热片对锂离子电池的强化换热

　　索具锡艺品节点球总体内径监视器活塞径向节距径向游隙锂离子电池具有能量密度高、寿命长、无记忆效应等优点，被广泛认为是电动汽车的主要动力源。然而，它们的有效性和安全性在很大程度上取决于它们工作的温度。因此，电池热管理系统(BTMS)对于确保电动汽车的安全至关重要。这项研究提出了一种BTMS模型，该模型在电池表面采用单个圆柱形锂离子，并带有纵向和螺旋翅片，以考察其冷却效果。在不同的当前速度下，对鳍的数量、旋转、厚度、长度和位置的影响进行了评估。结果表明，与无翅片相比，翅片降低了电池的最高温度，并且在较低雷诺数时变得更加有效。尽管增加翅片的数量会增加散热面积，但当翅片的数量超过3个时，它们会成为电池周围流动的障碍，从而提高电池温度。翅片的方向对电池和空气冷却之间的换热也有显著的影响，与纵向翅片的一半长度相比，电池温度升高了1.5◦C。然而，当半翅片放置在电池表面的不同位置(即顶部、中间和底部)时，冷却效果非常有限。此外，与纵向翅片相比，螺旋翅片降低了3.2%的电池温度，从而减少了65.6%的材料使用量。

　　本文设计了一个带散热片的圆柱形锂电池模块，并使用CFD模拟进行了分析。数值模拟了不同发热率下ACS电池的性能。对电池的瞬态内外温度进行了测试。基于一个商用电池的量化产热率，研究了21700(NCM811)放电率和翅片数量、厚度、长度和旋转对电池热性能的影响。研究了螺旋翅片环路对散热的影响，并与垂直翅片的计算结果进行了比较。由于21700(NCM811)是新一代电池，已发表的关于这些电池的工作非常有限，因此研究这种特殊的LiB电池的热性能对于开发和设计全尺寸空冷BTMS是至关重要的。表1中列出了LiB-21700的基本参数。图1(a-d)显示了电池的3D模型和带和不带翅片的LIBS的几何形状。

　　图1.(a)具有垂直翅片的电池的3D模型，（b）翅片的尺寸，（c）没有翅片的电池的顶视图，（d）-（g）分别具有1、2、3和4个翅片的电池的顶视图，（h）具有螺旋翅片的电池的3D模型。

　　为了检查并确保数值结果与所使用的网格和时间步长无关，图2（a）中报告了通过四种不同网格编号获得的电池温度与SOC的关系。在这种情况下，具有2个垂直翅片的放电率为2.5C，Re = 7515，Ta = 30 μ C，Δt = 0.5 s。当节点数≥628935时，网格数的变化对温升影响不大。此外，网格节点628935、727528和785276之间的温度变化分别仅为0.4%和0.35%左右，因此选择727528网格进行进一步的模拟。为了评估数值模拟中的时间步长，图3（B）中给出了放电速率为2.5 C和727528目时的电池温度，不同的时间步长为0.5 s、0.75 s、1 s和2 s。可以看出，所选时间步长的结果没有太大差异，并且0.5s和2s时间步长的温度之间的差异在0.82%以内。因此，考虑1 s的时间步长，以最大限度地减少总模拟时间，同时保持数值稳定性。

　　图3示出了在2.5C的放电速率结束时使用不同翅片数量的电池的对称平面以及中间横截面处的温度分布。可以看出，当与内部部分相比时，从电池表面到空气的散热率极高，并且在电池芯处发生热积聚。因此，圆柱形电池的中间部分具有最高温度，而外表面具有最低温度。

　　图3.在2.5 C，Re = 7515下，XY和XZ平面内的温度分布等值线，具有不同的翅片数量，其中（a）无翅片;（b）1翅片;（c）2翅片;（d）3翅片;（e）4翅片。

　　如图4所示，在四个不同的雷诺数下，使用2.5C放电速率下的电池单元温度来分析和比较不同翅片结构布局的性能。

　　此外，在计算热性能和相关成本时，翅片数量是重要的。图5示出了通过方程获得的在不同翅片数量下的电池之间的温度差。

　　图6提供了速度、TKE和温度的等高线。这些结果表明，冷却空气从管道的左侧迅速加速进入电池，由于电池表面的高热量传递，产生了局部高的入口速度，如图6(a)所示。随着翅片数目的增加，与翅片对气流的约束有关的速度量级略有下降，从而使速度降低3.5%，TKE降低19%。从图6(b，4)可以进一步看出，电池周围的气流湍流开始加剧，电池附近的高度湍流和混合导致更大量的新鲜空气将热量从电池中转移出去，这进一步导致了该位置电池温度的降低。另一方面，TKE在空气改变流向出口的单元格上方达到最大值。最后，如图6(c)所示，由于空气温度升高，电池温度从电池底部向电池顶部升高，可用于从电池带走热量的低温空气较少，其中空气的热场在电池的侧面和顶部都更为明显。

　　图6 .在2.5 C，Re = 7515的XY中的速度（a）和TKE（b）分布的等值线，具有不同的翅片数，其中1、3和4分别表示翅片数。

　　流体流动中的湍流对对流换热系数的影响，因此为了进一步研究这一点，在电池单元的外表面。鳍环1、1.5、2、2.5和3对应于相应的鳍节距21 mm、14 mm、10.5 mm、8.5 mm和7 mm。在所有情况下，鳍片的厚度和宽度分别保持为1 mm和4 mm。由于对流，电池温度从底部到顶部逐渐升高，电池和翅片的温度等高线中的结果表明，温度在径向逐渐降低，并受到沿单元的螺旋翅片的影响。

　　图8 .在排气量为2.5℃、翅片间距为7 mm的情况下，得到了不同垂直位置下XZ平面内的温度分布图。

　　本文研究了空气冷却条件下锂离子电池温度的动态行为。结果表明，圆柱形电池周围的纵向翅片对电池内的换热有较好的影响。进行了一系列的数值模拟，研究了不同流速下鳍片的旋转、厚度、长度、个数和位置的影响。这些方面的广泛研究为构建带散热片和风冷的电池热管理系统提供了更准确的认识。电池温度的降低主要受雷诺数的影响，当雷诺数较小时，翅片的影响更为明显。在竖直翅片数目方面，人们通常认为增加单元周围的翅片数目会增强换热，但结果表明，在高雷诺数15030下，3个和4个翅片的单元温度分别为37◦C和37.7◦C，这表明增加翅片数目抑制了单元周围的空气流动。随着翅片厚度的增加，电池温度降低，但换热进一步增强；但随着翅片长度减半，在3片翅片的情况下，电池温度的最大升高为1.5◦C，这是在翅片位于电池底部时获得的。与半鳍的位置(即顶部、中部和底部)相关的结果表明，这些变化对整体解的影响不大。竖直翅片的取向影响了电池与冷却空气之间的换热。当其中一片翅片平行于进口气流方向时，得到的单元温度相对较低。在电池外表面添加螺旋翅片显著改善了电池模型的换热性能，使电池温度降低了3.2%，材料利用率降低了25%~65.6%。因此，用于锂电池热管理系统的螺旋翅片是一个潜在的有前途的选择。