本文档属于类型a，即报告了一项原创研究。以下是基于文档内容的学术报告：

电动汽车锂离子电池F型风冷结构的设计与优化研究

作者及机构
本研究由Furen Zhang、Yazhou Shi、Yanxiao He（均来自重庆交通大学机电与车辆工程学院）以及Peiwen Liu（比亚迪汽车工程研究院）共同完成。该研究于2023年7月11日发表在期刊《Energy Technology》上，DOI为10.1002/ente.202300243。

学术背景
随着汽车数量的增加、石油资源的日益稀缺以及城市环境保护压力的加大，电动汽车（Electric Vehicles, EVs）作为燃油车的替代品，近年来受到全球各国的广泛关注。锂离子电池因其独特的优势，成为电动汽车的首选动力源。然而，锂离子电池的适宜工作温度是影响其性能、循环寿命和安全性的重要因素。文献中建议的工作温度范围包括0–40°C、0–45°C甚至-10–50°C，但最佳范围应控制在20–45°C，且电池单体之间的温差应控制在5 K以内。为了确保电池组的最佳工作温度，电池热管理系统（Battery Thermal Management System, BTMS）显得尤为重要。
目前，研究人员提出了多种锂离子电池热管理技术，包括风冷、液冷、相变材料冷却、热管冷却及其组合冷却方法。其中，风冷系统（Air Cooling System, ACS）因其轻量化、低能耗和高安全性，仍然是大多数电动汽车制造商的首选。然而，由于热交换率较低，风冷系统在夏季高温（环境温度超过50或60°C）时面临严峻挑战。因此，设计和优化一种有效的BTMS，将电池组的温度和温差控制在合理范围内，是一个亟待解决的关键问题。

研究流程
本研究旨在设计和优化一种新型的F型风冷BTMS，并通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法研究其冷却性能，同时通过实验验证CFD方法的有效性。研究流程包括以下几个步骤：
1. 模型设计与优化
- 基于传统的Z型和U型风冷结构，提出了一种新型的F型风冷BTMS。
- 通过CFD模拟，研究了F型BTMS的冷却性能，并验证了CFD方法的有效性。
- 首先探索了出口位置对F型BTMS冷却效率的影响，发现出口位置对冷却效果具有重要作用。
- 随后，优化了F型模型的分配流道角度，结果显示，优化后的模型最大温度（Tmax）和最大温差（δTmax）分别比Z型模型降低了2.28°C（5.22%）和4.36°C（89.33%）。
- 进一步优化了散热性能，通过在某些气流通道中添加挡板并改变电池箱顶角的形状，优化后的模型Tmax和δTmax分别比Z型模型降低了2.48°C（5.66%）和4.60°C（94.26%）。

1. 实验验证

   • 建立了F型风冷电池组的实验平台，验证了CFD模拟结果的有效性。
     
   • 实验平台包括一个铝块和四根加热棒，加热棒通过电源控制，电池箱用丙烯酸板粘合，表面粘贴了PT100热电偶传感器，用于实时测量温度。
     
   • 实验在环境温度为25°C的条件下进行，分别测量了风速为3 m/s和3.5 m/s时电池组的表面温度。
     

2. CFD模拟与数据分析

   • 使用CFD方法模拟了电池箱的温度场和速度场，假设电池材料组成均匀且热物理性质恒定，忽略辐射热传递效应，并将空气视为不可压缩气体。
     
   • 通过网格独立性测试，确定了合适的网格数量为55万。
     
   • 模拟结果显示，F型BTMS的散热性能优于Z型、U型、T型和J型BTMS，Tmax和δTmax分别降低了1.73°C（3.95%）和3.21°C（65.78%）。
     

主要结果
1. 出口位置的影响
- 研究发现，当出口位于冷却通道4和6时，F型BTMS的Tmax和δTmax最小。
- 进一步优化后，Tmax和δTmax分别比Z型模型降低了2.28°C（5.22%）和4.36°C（89.33%）。

1. 分配流道高度的影响

   • 通过改变分配流道右侧的高度（h），发现当h为17 mm时，Tmax和δTmax最小。
     

2. 挡板的影响

   • 在冷却通道1和9中添加挡板后，Tmax和δTmax分别降低了2.42°C（5.40%）和4.58°C（93.9%）。
     

3. 电池箱顶角形状的影响

   • 通过改变电池箱顶角的形状，进一步优化了F型BTMS的冷却效果，Tmax和δTmax分别降低了2.48°C（5.66%）和4.60°C（94.26%）。
     

4. 风速和放电率的影响

   • 研究表明，风速为4 m/s时，F型BTMS的冷却效果最佳。
     
   • 随着放电电流的增加，F型BTMS的散热性能逐渐恶化。
     

结论
本研究通过设计和优化一种新型的F型风冷BTMS，显著提高了电动汽车锂离子电池的冷却效率。研究结果表明，F型BTMS在散热性能和温度均匀性方面优于传统的Z型、U型、T型和J型BTMS。通过优化出口位置、分配流道高度、添加挡板以及改变电池箱顶角形状，F型BTMS的Tmax和δTmax分别降低了2.48°C（5.66%）和4.60°C（94.26%）。此外，研究还确定了最佳风速为4 m/s，并发现随着放电电流的增加，F型BTMS的散热性能逐渐下降。

研究亮点
1. 提出了一种新型的F型风冷BTMS，显著提高了锂离子电池的冷却效率和温度均匀性。
2. 通过CFD模拟和实验验证，优化了出口位置、分配流道高度、挡板设置和电池箱顶角形状，为电动汽车电池热管理提供了新的设计思路。
3. 研究结果对提高电动汽车电池的性能、寿命和安全性具有重要的科学价值和应用价值。

其他有价值的内容
本研究还指出了未来研究的方向，包括增加电池单体数量、研究影响因素的数值相关性以及优化挡板数量和尺寸等。这些研究将进一步推动电动汽车电池热管理技术的发展。