设计并优化一种热电混合电池热管理系统，以提高其在高倍率放电条件下的传热性能

《Renewable Energy》：Design and optimization of a thermoelectric hybrid battery thermal management system with improved heat transfer for high-rate discharge conditions

本研究提出一种集成相变材料（PCM）、液体冷却和热电冷却器（TEC）的电池热管理系统（BTMS），通过优化散热片结构提升热传导效率。基于瞬态热-电-流多物理耦合数值模型，分析表明增加TEC输入电流（1.6 A）、散热片长度（外5 mm/中5.4 mm）及冷却液流速（0.08 m/s）可分别将电池组最高温度、温差和PCM液态比例控制在321.92 K、3.49 K和0.179，有效改善高放电率下的温度均匀性。

　　在当前快速发展的新能源汽车行业中，电池作为核心动力源，其性能直接影响整车的续航能力、充电效率以及安全性。随着全球对碳中和目标的追求，锂离子电池因其无排放、高能量密度和长循环寿命等优点，已成为电动汽车的主要选择。然而，电池在高功率输出或快速充放电过程中会产生大量热量，导致温度迅速上升，进而影响电池的性能、寿命甚至引发安全隐患，如热失控和自燃。因此，电池热管理系统（Battery Thermal Management System, BTMS）的优化设计显得尤为重要。

本研究提出了一种新型的电池热管理系统，该系统结合了相变材料（Phase Change Material, PCM）、液体冷却和热电冷却器（Thermoelectric Coolers, TECs）三种技术，旨在为电池提供一个稳定的工作环境。PCM因其在相变过程中能够吸收大量热量而被广泛应用于热管理领域，它能够在不消耗额外电能的情况下实现被动冷却，从而减少能量消耗。然而，PCM的导热性能较低，特别是在高放电速率下，其热响应速度不够快，容易导致局部温度过高，影响电池整体性能。为了解决这一问题，研究引入了一种新的鳍片结构，以提高TEC、电池和PCM之间的热传导效率。

液体冷却技术通过在冷却板中循环冷却剂，能够高效地移除电池产生的热量，但其设计往往需要较大的体积和重量，且存在泄漏和高能耗等问题。相比之下，TEC作为一种主动热管理技术，具有快速响应、无排放、高效冷却和精确温度控制等优势，同时还能实现加热和冷却模式的切换，为电池提供更加灵活的温度调节方案。然而，TEC单独使用时存在能量效率较低的问题，尤其是在高放电速率下，其冷却能力可能无法满足电池快速散热的需求。因此，结合TEC与PCM的混合系统被提出，以期在提高冷却效率的同时，保持系统的能量效率和温度均匀性。

研究通过建立一个瞬态热-电-流多物理场耦合的数值模型，对提出的BTMS进行了全面评估。该模型考虑了热传导、对流、辐射以及电场和流体动力学之间的相互作用，能够准确模拟电池在高放电速率下的热行为。模型结果显示，增加TEC输入电流、鳍片长度以及冷却液流量可以有效降低电池组的最大温度和PCM的液相分数。其中，优化中间区域的鳍片长度对于提高温度均匀性具有显著作用，能够减少电池组内部的温度差异。尽管冷却液流量和TEC输入电流对温度差异的影响较小，但它们在控制电池组整体温度方面仍然发挥着重要作用。

实验结果表明，当外层鳍片长度为5毫米，中间鳍片长度为5.4毫米时，系统在TEC输入电流为1.6安培、冷却液流量为0.08米每秒的条件下，电池组的最大温度控制在321.92开尔文，温度差异为3.49开尔文，PCM的液相分数为0.179。这些参数表明，该混合系统能够在高放电速率下保持电池组的温度稳定，同时减少PCM的热饱和问题，从而延长其使用寿命并提高系统的整体效率。

在现有研究基础上，本研究进一步探索了PCM与TEC结合的可行性，并通过优化鳍片结构，提升了系统的热传导性能。已有研究表明，将PCM与空气冷却或液体冷却结合，能够有效改善电池的温度分布和热管理效果。然而，这些系统在极端工况下仍存在一定的局限性。例如，空气冷却的热容量较低，难以应对高功率输出带来的热量积累；液体冷却虽然效率较高，但其设计复杂度和成本增加，且存在泄漏和高能耗的风险。因此，寻找一种既能有效散热，又能保持温度均匀性的混合系统，成为当前电池热管理研究的重要方向。

在本研究中，TEC与PCM的结合被证明是一种可行的解决方案。通过优化鳍片结构，TEC能够更高效地将热量从电池传递至PCM，从而实现更均匀的温度分布。同时，液体冷却板的引入进一步增强了系统的散热能力，特别是在高放电速率下，能够迅速移除电池产生的热量，防止温度过快上升。此外，研究还发现，虽然TEC输入电流和冷却液流量对温度差异的影响有限，但它们在降低电池组整体温度方面具有重要作用。因此，在设计BTMS时，需要综合考虑这些参数的优化组合，以达到最佳的热管理效果。

本研究的创新点在于提出了一个集PCM、TEC和液体冷却于一体的混合热管理系统，并通过优化鳍片结构，显著提升了系统的热传导效率。这一设计不仅能够有效应对高放电速率带来的热量问题，还能够在高温环境下保持电池组的稳定运行。通过数值模拟，研究团队验证了该系统的可行性，并提出了具体的优化参数，为未来的电池热管理设计提供了理论依据和技术参考。

此外，本研究还强调了多物理场耦合在电池热管理中的重要性。传统的热管理研究往往仅关注单一物理场（如热传导或对流），而忽略了电场和流体动力学之间的相互作用。通过建立一个综合的多物理场模型，能够更全面地分析电池在复杂工况下的热行为，从而为系统设计提供更加精准的指导。这一模型的开发不仅有助于优化现有BTMS的设计，也为未来更复杂、更高性能的热管理技术提供了研究基础。

在实际应用中，电池热管理系统的优化设计需要考虑到多个因素，包括电池的功率输出、环境温度、冷却介质的种类以及系统的结构布局等。本研究提出的混合系统在这些方面进行了深入探讨，并通过实验验证了其有效性。特别是在高放电速率条件下，该系统能够有效控制电池组的温度，防止热失控的发生，从而提高电池的安全性和使用寿命。

综上所述，本研究通过结合PCM、TEC和液体冷却技术，并优化鳍片结构，提出了一种新型的电池热管理系统。该系统在保持高效散热的同时，也能够实现温度均匀性，为电动汽车的电池热管理提供了新的思路和技术支持。研究结果表明，通过合理选择鳍片长度、TEC输入电流和冷却液流量，可以有效降低电池组的最大温度和温度差异，同时控制PCM的液相分数，从而确保电池在极端工况下的稳定运行。这些发现不仅具有重要的理论价值，也为实际工程应用提供了宝贵的参考依据。