铝的传热水力性能评估2–用于快充下锂离子Fullriver蓄电池组直接浸没式冷却的矿物油纳米流体

2026-11-05 19:25:37 点击：次

摘要

快速充电带来的热负荷不断增加，对锂离子电池热管理构成了重大挑战，特别是在传统风冷已不足以应对的高倍率充电情况下。本研究通过数值模拟方法，研究了Al₂–矿物油纳米流体在快速充电条件下对18650锂离子电池组进行直接浸没冷却的热力学性能。采用三维瞬态CFD模型来评估Al₃体积分数范围为0至1.0 vol.%，同时系统地考察了充电速率和冷却剂入口速度的影响。热性能通过最大电池温度和温度均匀性进行评估，并结合压力降和泵送功率来考虑相关的水力损失。结果表明，增加Al₂与纯矿物油相比，浓度逐渐改善了电池冷却和温度均匀性，尽管相应的流动阻力增加揭示了明显的流体热力学权衡。将充电倍率从2C提高到8C会显著加剧热负荷，在8C时电池最高温度达到340.47 K，这表明在超快充电条件下，仅靠纳米颗粒增强可能不足。在8C运行条件下，将冷却剂流速从0.05提高到0.20 m/s，使电池最高温度从329.61降低到318.37 K，证明了强制对流对热调节的显著贡献。然而，压力降同时从23.89增加到114.57 Pa，并伴随着泵送功率需求的增加。在所研究的案例中，1 vol.% Al₃在0.20 m/s时，8C快充下的热性能表现最强。这些发现强调了在评估高倍率和超快充条件下介电纳米流体浸没式冷却系统的热性能及相关水力需求时，同时考虑纳米颗粒浓度和冷却液入口速度的重要性。₂O₃ concentration progressively improves battery cooling and temperature uniformity compared with pure mineral oil, although the corresponding increase in flow resistance reveals a clear thermo-hydraulic trade-off. Increasing the charging rate from 2C to 8C substantially intensifies the thermal load, with the maximum cell temperature reaching 340.47 K at 8C, indicating that nanoparticle enhancement alone may be insufficient under ultra-fast charging. Increasing the coolant velocity from 0.05 to 0.20 m/s under 8C operation reduces the maximum cell temperature from 329.61 to 318.37 K, demonstrating the strong contribution of forced convection to thermal regulation. However, the pressure drop simultaneously increases from 23.89 to 114.57 Pa, accompanied by increased pumping-power demand. Among the investigated cases, 1 vol.% Al₂O₃ at 0.20 m/s provides the strongest thermal performance under 8C fast charging. These findings highlight the importance of considering both nanoparticle concentration and coolant inlet velocity when evaluating the thermal performance and associated hydraulic requirements of dielectric nanofluid immersion cooling systems under high-rate and ultra-fast-charging conditions.

关键词：
电池热管理; 浸没式冷却; 矿物油; 纳米颗粒; 快速充电

1. 引言

电动汽车（EVs）和高功率储能技术的快速发展，增加了对高能量密度、高功率密度以及安全可靠运行的锂离子电池（LIBs）的需求。此外，随着电池化学和能量密度的进步，快速充电已成为提高电动汽车可用性并缩短充电时间的关键要求。然而，较高的充电倍率会导致电池单元中电化学和欧姆热量的增加。过高的温度和不均匀的温度可能会加速电化学降解，增加内阻，缩短电池寿命，并在极端条件下导致热失控。因此，将电池温度维持在适当的运行范围内，并尽量减小电池单元内的温差，仍然是开发先进电池热管理系统（BTMSs）的一个基本目标[1].
早期的电池热管理系统（BTMS）方法主要采用风冷技术，因其结构简单、成本低、重量轻且易于维护。然而，空气相对较低的导热系数和热容限制了其移除与高功率运行相关的日益增高的热负荷的能力。随后，液冷作为一种更有效的替代方案出现，因为液体提供了显著更强的换热能力。大多数传统的液冷BTMS采用位于电池相邻位置的冷板、通道或夹套。虽然有效，但这些间接配置在电池表面与冷却液之间引入了中间热界面，从而增加了额外的热阻和系统复杂性。这些局限性激发了人们对直接浸没式冷却日益增长的兴趣，在这种方式中，电池表面直接与电绝缘冷却液接触，从而增加了有效换热面积并消除了若干中间热阻[2].
矿物油的电气绝缘性、化学稳定性、可获得性以及适合直接接触冷却的特性，使其成为考虑用于直接浸没式冷却的介电液体中极具吸引力的候选者。刘等人[3]通过实验证明，矿物油浸没式冷却对在1C-4C条件下运行的18650锂离子电池有效。具体而言，静态浸没式冷却将电池最高温度维持在40°C以下，而以15 mL/min的流速循环矿物油⁻¹将其维持在30°C以下。有趣的是，随着流速进一步增加，热性能改善效果逐渐减弱，这表明单纯增加冷却剂循环的边际收益递减。
矿物油的有效性随后由Satyanarayana等人[4]证明，他们通过实验比较了使用自然空气、强制空气、Therminol油和矿物油浸没冷却对20节18650 NMC电池组的冷却效果。在所研究的冷却介质中，矿物油表现出最高的冷却性能，在3C放电倍率下，其最高降温幅度约为51.53%（相比自然空气冷却），同时提供了更好的温度均匀性。最近，Donmez等人[5]数值模拟研究了16S1P 32700磷酸铁锂电池模块在矿物油和工程介电液体中的直接浸没式冷却效果。通过提高冷却剂流速，最高温度和温度均匀性得到了改善。然而，由于矿物油的热水力性能相对不足，导致了更高的压力降。这些研究表明，矿物油是一种实用的介电浸没式冷却剂，同时也突出了其主要缺点之一，即低导热率，这限制了随着电池热负荷增加时的散热能力。
此外，解决这一局限性的一种有效方法是通过分散高导热纳米颗粒来优化基流体的热学性能，从而形成纳米流体。这种方法改变了传统冷却剂的热物理性质，特别是热导率，以提高传热能力。因此，纳米流体的热性能取决于多个变量，如纳米颗粒的类型、纳米颗粒的浓度、颗粒尺寸、工作温度、分散稳定性以及基流体性质。例如，谢等人 [6]实验研究了几种纳米流体组合，并确定了Al的导热系数₂在泵油中分散的含量增加了超过38%（5 vol.%），而铝的增加约为22%₃——水。这一结果表明，添加纳米颗粒可以显著提高初始导热系数较低的流体（如油类）的相对导热系数。₂O₃–water. This result suggests that addition of nanoparticles can lead to a significant relative enhancement of the thermal conductivity for fluids with relatively low initial thermal conductivity such as oils.
在研究用于增强传热的纳米颗粒中，Al₂因其相对较高的导热系数、化学稳定性、易得性以及在热管理应用中的广泛表征而受到了相当大的关注。Narang [₃] 综述了关于Al的实验和数值方法7及其他纳米流体，对浸没式和循环式间接液体电池热管理系统进行了数值对比，结果表明纳米颗粒的浓度、尺寸、形状、温度、团聚情况以及基流体特性会显著影响其有效性能。对于数值建模而言，该研究还描述了单相均匀方法，即在适当的平衡和无滑移假设下，足够稀释的纳米颗粒和基流体可以通过有效密度、比热容、导热系数和粘度来表示为等效流体。₂O₃ and other nanofluids and showed that nanoparticle concentration, size, shape, temperature, aggregation, and base-fluid characteristics strongly affect effective properties. Importantly for numerical modelling, the study also described the single-phase homogeneous approach, in which sufficiently dilute nanoparticles and the base fluid can be represented as an equivalent fluid through effective density, specific heat, thermal conductivity, and viscosity under appropriate equilibrium and no-slip assumptions.
Al的应用₂纳米流体研究已从基础传热研究逐步扩展到电池热管理领域。Jilte等人[₃]利用水和0.4 vol.% Al8–用于2C和4C放电下圆柱形电池的水纳米流体。纳米颗粒的添加降低了电池温度并改善了电池间的温度均匀性，同时循环冷却液产生的散热效果明显强于静态浸没。对于4C放电下冷却液入口温度为30°C的循环配置，报告的电池温度约为30.06°C，使用Al₂纳米流体与水相比，温度差为30.33 °C，而最高温差保持在约0.17 °C以下。尽管仅通过添加纳米颗粒获得的提升有限，但这项工作提供了早期证据，表明Al₃可以增强电池液冷性能。₂O₃ nanofluid compared with 30.33 °C with water, while the maximum temperature difference remained below approximately 0.17 °C. Although the improvement obtained exclusively from nanoparticle addition was modest, this work provided early evidence that Al₂O₃ could enhance battery liquid cooling.
此外，实验研究表明，纳米颗粒的浓度和冷却剂的运行条件是关键参数[9]。刘等人[10]研究了0.1%、1%和2%质量分数下的γ-Al₂纳米流体，以及在0.3C–3.5C排放口的不同冷却剂流速。纳米颗粒通常能提高冷却性能，尽管高温和流动条件可能会因不稳定性和团聚而降低其效果。Wanatasanappan[₃]随后研究了Al11–CuO/水–乙二醇和TiO₂–铝₃/水混合纳米流体用于2S5P圆柱电池排列。结果表明，TiO₂–铝₂系统将传热系数提高了74.9%，并将电池温度降低了约12.35 °C。结果还表明，纳米颗粒的成分、浓度和流速会影响热性能和水力性能。₃/water hybrid nanofluids for a 2S5P cylindrical battery arrangement. The results revealed that the TiO₂–Al₂O₃ system enhanced the heat-transfer coefficient up to 74.9% and decreased the battery temperature by about 12.35 °C. The results additionally demonstrated that the nanoparticle composition, concentration and flow rate influence the thermal and hydraulic performance.
随着该领域的发展，研究人员日益认识到，不能仅凭电池温度来评估纳米流体的性能。增加纳米颗粒浓度可以提高导热性和传热效率，但同时也会增加粘度、流动阻力、压力降和泵送需求。例如，Wiriyasart等人[12]通过数值模拟研究了0.25和0.50体积百分比的TiO₂在444单元模块的波纹微通道冷却中，使用水基纳米流体。增加纳米颗粒浓度提高了换热能力并降低了电池温度，但同时也导致了压降的增加。与传统配置相比，其优化的流道配置使电池最高表面温度降低了约27.59%，这表明必须综合考虑冷却剂成分和流道设计。
这种热力学折衷对于铝₂纳米流体尤为重要。Banerjee和Nidhul [₃]研究了4体积%的铝13纳米流体，用于3C和5C放电条件下棱柱形磷酸铁锂₂电池的直接浸没式冷却。纳米颗粒的添加降低了电池最高温度并改善了温度均匀性，但也增加了压力降。更重要的是，Banerjee和Nidhul [₃] 随后发现铝含量显著降低₄用于16节26650电池组直接浸没冷却的浓度分别为0.1和0.4 vol.%。他们的纳米流体将电池最高温度降低了多达7 K；然而，将浓度从0.1增加到0.4 vol.%仅带来了有限的额外热性能提升，同时增加了泵送需求。这一发现揭示了实际纳米流体电池热管理系统设计的一个重要原则：产生最低电池温度的浓度并不一定是提供最佳整体系统性能的浓度。14] later examined substantially lower Al₂O₃ concentrations of 0.1 and 0.4 vol.% for direct immersion cooling of a 16-cell 26650 battery pack. Their nanofluid reduced maximum battery temperature by as much as 7 K; however, increasing concentration from 0.1 to 0.4 vol.% produced only a limited additional thermal improvement while increasing pumping requirements. This finding demonstrates an important principle for practical nanofluid BTMS design: the concentration producing the lowest battery temperature is not necessarily the concentration providing the best overall system performance.
在冷却剂开发的同时，对浸没式系统架构的研究表明，液压特性本身会强烈影响热性能。例如，刘等人 [15]为圆柱形18650电池的直接浸没式冷却引入了一种自组织流道配置。优化后的设计将最高温度和温差分别降低了12.56%和43.81%，在5.844C的放电倍率下，最高温度为305.09 K，温差为3.86 K，压降仅为8.89 Pa。这些结果进一步表明，评估浸没式冷却的性能时，应综合考虑热工和水力性能，而非仅仅关注传热增强。
因此，近期的研究已转向更系统的热力水力优化。Lu等人[16]采用单相均匀模型，比较了Al₂、CuO、SiO₃和Cu基水纳米流体在间接冷板系统中的性能。增加纳米颗粒浓度可增强冷却效果，但同时会增加压力降；因此，对纳米颗粒浓度和入口速度进行了优化，以在热力学和水力学性能之间取得折中。Le和Lee[₂] 同样在35个21700电池单元的电池模块中，对单相和混合纳米流体采用了单相均匀方法。他们的分析考虑了最高温度、温度不均匀性、压力降、摩擦因子、努塞尔数以及整体性能评价指标。结果表明，不能仅凭热性能来确定最佳冷却剂，而应通过热性能和水力性能的综合评估来选择。17] similarly used a single-phase homogeneous approach for mono and hybrid nanofluids in a 35-cell 21700 battery module. Their analysis considered the maximum temperature, temperature non-uniformity, pressure drop, friction factor, Nusselt number, and the overall performance evaluation criterion. Then, the results demonstrated that the optimal coolant cannot be identified based solely on thermal performance but should instead be selected through a combined assessment of thermal and hydraulic performance.
其他近期研究探索了混合冷却架构。Siricharoenpanich等人[18]结合了Fe₃–水纳米流体、铜泡沫、微通道夹套和不同的翅片几何形状，在3C条件下，最佳配置实现了39.83 °C的最高温度和9.39 °C的ΔT，尽管最终性能比较中未包含压力降和泵送功率。Qawasmeh等人[₄] 将CuO-水纳米流体与相变材料及冷板冷却相结合，发现增加纳米颗粒浓度可改善电池冷却效果，但随着浓度升高，降温效果逐渐减弱。Tousi和Najafi [19] 开发了一种特别相关的混合配置，将间接通道中的Al20-水纳米流体与独立直接浸没区域中的HFE-7100相结合。尽管增加Al₂浓度改善了温度控制，但Al₃纳米颗粒并未直接分散在介电浸没液中。₂O₃ concentration improved temperature control, the Al₂O₃ nanoparticles were not dispersed directly within the dielectric immersion fluid.
更广泛的文献证实了这些趋势。Gasmelseed等人[21]报告称，基于纳米流体的电池热管理系统（BTMS）可实现约2.9–30.5%的热性能提升，但这些优势可能伴随着14–70%的压力降增加。该综述还观察到，与改变纳米颗粒类型和浓度的研究相比，对基础流体选择的研究较少，且水基和乙二醇基纳米流体在现有的电池冷却研究中占据主导地位。Rashid等人[22] 同样得出结论，纳米流体可以增强锂离子电池的冷却效果，但强调了压力降增加、纳米颗粒不稳定、沉降和成本是持续存在的挑战。Tao等人 [23] 强调，增加纳米颗粒浓度会提高粘度，从而增加系统的泵送需求。
Thorat等人[24]和Zhou等人[25]进一步比较了与锂离子电池冷却相关的纳米流体的热物理性质，并报告称，根据纳米颗粒/基础流体组合、电池几何形状和冷却配置的不同，其冷却性能比传统流体高出约10-15%。他们的研究强调，在确定纳米流体时，必须同时考虑导热系数、比热容、密度和粘度。
最近，Adit等人[26] 证明了在严苛的5C-10C电池运行条件下，低浓度CuO/DI水纳米流体与Peltier热电冷却系统耦合的有效性。他们的研究结果提供了进一步证据，表明即使是相对较小的纳米颗粒负载量，也能在高热负荷下有助于提升热管理性能。然而，他们的研究涉及的是水基纳米流体、单一纳米颗粒浓度、单个电池单元、高倍率放电以及辅助热电冷却装置，而非介电纳米流体的直接浸没。
尽管电池热管理技术取得了最新进展，但在快速充电条件下，Al₂-矿物油纳米流体用于直接浸没冷却的应用仍缺乏充分研究。现有的矿物油浸没研究主要集中在纯介电液体[₃]，而大多数基于Al3,4,5的电池冷却研究则采用了水基或乙二醇基纳米流体[₂]，主要是在放电条件下。此外，关于快速充电过程中纳米颗粒浓度与冷却剂流速对热性能和水力性能的共同影响，目前关注较少。为了填补这些空白，本研究通过数值模拟方法研究了Al₃-矿物油纳米流体，浓度范围为0至1.0 vol.%，用于在不同快充条件下对18650锂离子电池组进行直接浸没冷却。系统地评估了纳米颗粒浓度、充电速率和冷却剂流速对电池最高温度、温度均匀性、压力降和泵送功率的影响。目标是确定有利于提升电池热管理性能的运行条件，同时兼顾相关的水力要求。8,9,10,13,14,16,17,20], predominantly under discharge conditions. Furthermore, limited attention has been given to the combined influence of nanoparticle concentration and coolant velocity on thermal and hydraulic performance under fast charging. To address these gaps, the present study numerically investigates Al₂O₃-mineral oil nanofluids with concentrations ranging from 0 to 1.0 vol.% for direct immersion cooling of an 18650 lithium-ion battery pack under different fast-charging conditions. The effects of nanoparticle concentration, charging rate, and coolant velocity are systematically evaluated in terms of maximum battery temperature, temperature uniformity, pressure drop, and pumping power. The objective is to identify favourable operating conditions that enhance battery thermal management while accounting for the associated hydraulic requirements.

2. 方法论

2.1. 几何描述

本研究中使用的电池系统由8个圆柱形锂离子电池组成，采用2S4P配置（2个串联，4个并联），如图所示图1。本研究中使用的单个电池的几何、电气和热特性基于Jiaqiang E等人的工作[27]并在表1中进行了总结.
Batteries 12 00467 g001

图1.用于直接浸没冷却的2S4P锂离子电池组的几何配置和尺寸细节。（）电池组和冷却外壳的3D视图（）浸没式电池组和外壳尺寸的侧视图（）电池模块几何形状和电芯高度（) 电池排列及电池间距的俯视图。c) Battery module geometry and cell height (d) Top view of the battery arrangement and inter-cell spacing.
表1。锂离子电池的特性。

电池单元采用2S4P配置，排列在充满Al%%-矿物油纳米流体的密封外壳中，该流体作为直接浸没冷却的介电冷却剂。在整个模拟过程中，电池间的间距固定为5毫米，以保持一致的电池配置，并允许对所研究的运行条件进行系统比较。₂图1₃展示了所提出的电池热管理系统的几何配置。(a) 展示了冷却外壳内电池组的三维视图，包括冷却剂入口和出口。(b) 显示了浸没式电池组的侧视图。(c) 说明了电池模块的几何形状和电芯高度，而 (d) 展示了电芯排列的俯视图。Figure 1 illustrates the geometrical configuration of the proposed battery thermal management system. (a) presents a three-dimensional view of the battery pack within the cooling enclosure, including the coolant inlet and outlet. (b) shows the side view of the immersed battery pack. (c) illustrates the battery module geometry and cell height, while (d) presents the top view of the cell’s arrangement.
所研究的直接浸没式冷却系统由浸没在矿物油中的18650锂离子电池组成，矿物油作为电绝缘冷却剂。在电池运行期间，冷却剂通过入口进入外壳，流经电池间的间隙，在从出口流出前直接吸收电池表面热量。这种直接的液体电池接触促进了有效的散热，并限制了电池组内的局部温度梯度。
此外，为了在数值精度和计算成本之间取得平衡，选择了八电池模块作为代表性电池模块，用于评估所提出的浸没式冷却系统的热流体性能。该配置识别了电池、冷却剂循环和电池组温度不均匀性之间的主要热相互作用，从而能够对纳米颗粒浓度、充电速率和入口速度进行系统分析。虽然建模框架可以扩展到更大的电池组件，但通常情况下，冷却液分布、压力损失和热均匀性的影响仍需进一步考虑。因此，全电池包的可扩展性是未来工作的一个课题。

2.2. 电池热特性与产热模型

18650锂离子电池的热行为采用与参考文献[28,29,30]中相同的基于CFD的热分析方法进行建模。也就是说，每个电池内部产生的热量是根据不可逆和可逆产热机制的综合作用计算得出的，而不是通过NTGK、P2D或DCIR模型来解析详细的电化学过程。由此产生的产热量作为体积热源引入电池区域，从而使电池的瞬态温度响应能够与向周围铝[₂–矿物油纳米流体。₃–mineral oil nanofluid.
在电池运行期间，总发热量Q_gen被视为由内部电阻产生的不可逆热量与电化学反应中熵变相关的可逆热量的总和：

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