CAT蓄电池电动汽车混合热管-液冷板电池热管理系统的设计与优化
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卡特蓄电池 发布时间：2026-03-26 09:12:33 点击： 次
引言
传统内燃机车辆高度依赖化石燃料，其运行过程中排放的大量二氧化碳等温室气体已成为全球气候变化和环境污染的主要推手，对生态可持续性和人类长远发展构成严峻挑战[1][2]。在此背景下，电动汽车(EV)作为缓解交通领域能源消耗与环境压力的关键技术路径应运而生，为降低石油依赖、提升能源利用效率、加强能源安全提供了可持续解决方案[3][4]。在电动汽车中，牵引电池作为能量存储与释放的核心部件，是车辆动力总成的关键要素。牵引电池的性能直接决定了电动汽车的续航里程、动力能力、运行安全性和全生命周期成本[5][6]。在现有电池技术中，锂离子电池（LIBs）因其高能量转换效率、成熟的制造工艺、可控的生产成本、优异的电荷保持特性以及无记忆效应[7][8][9]，已成为电动汽车领域应用最广泛的动力源。尽管具备这些优势，锂离子电池的工作特性对环境温度仍表现出高度敏感性。在低温条件下，电化学反应速率降低和离子扩散受阻会导致容量损失和内阻增加，这可能引发锂枝晶析出与生长，从而缩短电池寿命并带来安全隐患。反之，高温环境会加速副反应，促使电极劣化和电解质分解，造成容量快速衰减，并增加过热、热失控乃至起火爆炸的风险[10][11][12]。研究表明，锂离子动力电池的最佳工作温度范围通常为20-40°C，而单体电池间的温差应严格控制在5°C以内[13][14]。因此，开发高效可靠的动力电池热管理系统（BTMS）对实现电动汽车的安全节能运行至关重要。合理设计的BTMS能确保电池在适宜温度窗口内稳定工作，提升系统整体性能，延长循环寿命，并为实现高效、可靠且可持续的电动交通提供关键技术支撑[15][16][17]。
根据是否需要外部能量输入，电池热管理系统（BTMS）通常可分为主动冷却与被动冷却系统[18]。从传热介质角度考量，现有电池热管理技术主要包括：风冷[19][20]、液冷[21][22][23]、相变材料（PCM）冷却[24][25]、热管冷却[26][27]以及融合多种技术的混合冷却方案[21][28][29]。不同热管理策略在传热能力、系统复杂性、能耗及工程适用性方面展现出显著差异。空冷作为典型的主动冷却方式，通过强制或自然对流实现空气与电池模块表面的热交换来调节电池温度。得益于其结构相对简单、成本低廉、维护便捷且易于集成的特点，空冷技术已在早期或小型电动汽车中得到广泛应用[30]。然而，风冷系统的热管理性能高度依赖于气流组织与结构布局，导致冷却效果对运行工况变化极为敏感。因此，全球范围内已开展大量研究以提升风冷式电池热管理系统（BTMS）性能，研究重点主要集中在气流路径优化、结构参数设计及系统级热性能改进三个方面。例如，Chen等[31]通过修改进出风口位置重构气流分布，并采用数值模拟方法系统研究了不同气流配置对电池温度分布及冷却性能的影响。Luo等[32]提出一种X型风冷BTMS，利用正交实验设计进行多参数优化，从而提升了散热能力与温度均匀性。Shen等[33]开发了一种非垂直Z型电池热管理系统（BTMS），通过重新设计的气流通道布局提升了局部传热性能，并有效降低了电池组最高温度与温差。该研究采用多物理场仿真方法，量化评估了不同通道构型对系统能力的影响。模拟结果表明，优化后的异构流道结构使温度均匀性提升23%，同时将压降控制在工程适用范围内。这项全年龄适用的热管理方案为多性向电化学储能系统提供了新的设计范式。以及针对电池包。考虑到实际车辆运行工况，Pandey等人[34]将代理模型与遗传算法相结合，用于优化风冷BTMS的热结构参数。尽管这些研究通过结构设计和参数优化使风冷系统的热性能取得了显著提升，但空气固有的低导热系数和比热容从根本上限制了其单位体积和质量的传热Ability。随着电动汽车向更高能量密度电池、快速充放电以及高功率运行方向发展，传统风冷技术在高热流条件下越来越难以同时满足高散热能力和温度均匀性的双重需求[35][36]。因此，基于风冷的BTMS在下一代电动汽车中的适用性正逐渐受限。
与空气冷却相比，由于液体冷却剂具有更高的导热率和比热容，液冷系统展现出更优异的热消散性能。即使在高速率充放电条件或高温环境条件下，液冷系统仍能有效抑制电池温升[37][38]。根据冷却剂是否直接接触电池表面，液冷技术通常分为采用冷却板的间接液冷和直接浸没式冷却[39][40]。浸没式冷却通过将电池单体或模块直接浸入介电冷却剂中来增强热传递，从而实现高效冷却。然而，该方法对冷却剂绝缘性能、密封可靠性及泵送能力提出了严格要求，同时存在潜在泄漏风险并增加系统复杂性，这些因素共同提高了工程难度和成本[39][41]。相比之下，基于冷却板的液冷技术能有效隔离电池与冷却液，在确保高效冷却性能的同时显著提升系统安全性与可靠性。因此，该方法在电动汽车电池热管理系统（BTMS）中获得了更广泛的应用[3][42]。在基于冷却板的电池热管理系统中，冷却通道的设计对整体热管理性能具有决定性作用，直接影响传热效率、温度均匀性、流体流动阻力及泵功消耗[11]。合理的流道设计可同时提升冷却性能与能效，从而改善电池系统整体性能与使用寿命。目前液冷板流道设计方法大致可分为三类：传统流道设计[43]、仿生流道设计[10]以及拓扑优化流道设计[44]。传统流道构型包括蛇形流道[45]、直流道[22]和翅片强化流道[46]。针对传统流道结构的研究主要集中于几何参数与冷却剂分配策略的优化。例如，Liu等[47]在传统蛇形冷却板中引入交叉流道，系统研究了交叉数量、宽度及角度对热性能的影响，最终确定最佳构型为7个交叉、宽度2.0 mm、交叉角度45°。Wang等[48]采用多目标遗传算法(MOGA)优化蛇形通道液冷电池热管理系统的结构参数，在散热性能方面取得了显著提升。Yang等[49]提出了一种改进型蛇形通道设计，与传统构型相比显著提升了温度均匀性。为克服传统通道设计在流动均匀性与传热强化方面的局限性，研究者引入仿生设计理念，开发出多种仿生通道结构，如血管状通道[10]、蜂窝状通道[50]、鱼骨状通道[51]、荷叶状通道[52]、树状分形通道[11]、三叶草形通道[3]及蛛网状通道[53]。Zhao等[50]的研究表明，蜂窝状流道结构能显著增加冷却板与冷却剂之间的有效传热面积，从而提升冷却性能。Fan等[51]提出了一种仿生鱼骨流道冷却板，并采用正交试验、极差分析和方差分析系统优化了其结构参数。Xie等[53]报道了一种蜘蛛网仿生冷却板设计，可将电池组最高温度控制在30.9°C以下，展现出优异的热管理能力。与依赖经验值的传统和仿生流道设计不同，拓扑优化冷却板在预设设计空间和约束条件下通过数值优化自动生成复杂的内部流道结构，具有更高的设计自由度和潜在性能优势。相较于传统流道设计，拓扑优化能实现更均匀的温度分布、更低流动阻力以及更优异的整体热性能，同时减少材料用量。Mo等[54]采用基于密度的拓扑优化方法设计了一种新型冷却板，报告显示流动阻力降低47.9%以及2.3°C的相较于直通道设计。Chen等[55]提出了两种拓扑优化的冷却板构型，并证明了其在降低电池峰值温度方面相对于直通道和蛇形通道的优势。Zhang等[56]发现，在相同质量流量条件下，拓扑优化设计能够将与传统蛇形冷却板相比，其性能提升幅度高达90%。詹等[57]系统研究了进出口布置对拓扑优化冷却板性能的影响，发现其效果高度依赖于具体应用场景。郭等[58]采用拓扑优化方法设计了多进出口构型的冷却板，实验证明其冷却效率显著优于传统微通道板。尽管拓扑优化冷却板在电池热管理领域展现出巨大潜力，但在实际工程应用中仍面临诸多挑战。拓扑优化过程通常需要较大的温度梯度或热负荷差异才能形成明显的通道拓扑结构，这与动力电池模组设计中要求维持单体间电池系统中的温差控制在5°C以下。因此，在满足严格电池温度均匀性约束的同时实现有效的拓扑优化流道设计，仍然是液冷式BTMS工程应用中的关键挑战。
相变材料（PCM）冷却是典型的被动热管理技术，其基本原理在于通过固-液相变过程中大量潜热的吸收与释放，从而有效缓冲和调节温度波动[18]。为充分发挥相变材料的热能存储能力，提升其固有低导热率已成为核心研究焦点。针对这一问题，研究者普遍采用开发复合相变材料（CPCM）的策略。Jiang等[59]开发了一种由石蜡(RT44HC)与膨胀石墨(EG)组成的复合相变材料，并将其应用于电池热管理系统。实验结果表明，当EG质量分数在9%至20%范围内时，材料导热性能显著提升，可使电池组温度维持在最佳工作区间。Xiao等[60]分别采用真空与非真空浸渍法制备了石蜡/镍和石蜡/铜泡沫复合相变材料，实现了有效导热系数的提升。Ling等[61]系统研究了膨胀石墨(EG)掺入对相变材料(PCM)热物理性质的影响，揭示了连续导电网络的形成对增强相变传热起关键作用。尽管多项研究已证实基于PCM的冷却能有效抑制电池温升并改善温度均匀性[62]，但其工程应用仍面临重大挑战。一方面，相变过程中的体积膨胀与收缩可能导致结构失稳和界面接触恶化；另一方面，即使经过复合改性，PCM的整体导热系数仍不足以满足大功率电池在快充快放工况下的散热需求[63]。这些局限性制约了PCM冷却在电动汽车动力电池系统中的独立应用。
热管技术作为一种高效传热手段，近年来在电池热管理领域受到日益广泛的关注。热管具有有效导热系数极高、结构紧凑、布置灵活、使用寿命长及维护成本低等诸多优势[26]。其工作原理基于工质的相变传热过程。当电池产生热量时，蒸发段吸收热能，使工质汽化并流向冷凝段。在冷凝段，蒸汽释放潜热并冷凝为液体，随后通过吸液芯结构中的毛细力被输送回蒸发段，从而形成高效连续的热传递循环[64]。需注意的是，冷凝段释放的热量必须通过外部冷却系统耗散至环境中，以确保热管的稳定运行和持续高热传递性能。由于热管具有高度的结构和布局灵活性，可轻松与其他热管理技术（如液冷和风冷）集成，从而形成日益多样化的混合冷却构型。此类耦合系统已成为提升电池系统整体热管理性能的重要发展方向[65]。Jang等[28]对耦合不同几何形状热管的液冷电池热管理方案进行了对比研究，分析了热管形状对冷却性能的影响。Li等[66]提出了一种热管辅助液冷BTMS，并采用磷酸铁锂电池开展了实验研究。结果表明，相较于独立液冷系统，该耦合系统实现了更显著的温降温度均匀性显著提升；此外，研究采用正交试验设计对系统关键参数进行了优化。Liu等[67]对热管耦合电池热管理系统中的液冷子系统流道结构进行了优化。通过分析传统平行流道与S形流道的优势及局限性，他们提出了一种串并联组合流道构型，有效提升了系统整体冷却性能。
现有研究表明，基于液冷板的间接冷却方案在当前文献中占据主导地位，尤其适用于高能量密度牵引电池的热管理。与此同时，整合多种冷却机制的混合电池热管理系统（BTMS）已逐渐成为提升锂离子电池热安全性的重要技术路径。然而，现有研究大多集中于单一冷却技术的应用，关于液冷板与热管耦合协同效应的系统性研究，以及二者在电池组散热方面的潜力探索仍较为有限。此外，文献中电池组的串并联配置通常基于经验确定，电池数量选择具有随意性，且未能与实际车辆参数进行严格匹配。
针对上述局限性，本研究以紧凑型电动汽车为研究对象，根据驱动功率和续航里程需求确定牵引电池组的串并联配置，从而确保电池系统容量与车辆能量需求的一致性。从热管理设计角度出发，提出一种热管-液冷板混合BTMS方案，以克服单一冷板底部冷却普遍存在的温度分布不均问题，并替代传统的多冷板冷却解决方案。首先，优化电池组配置以确保车辆运行时具备足够的功率输出。随后在电池模组层面，系统性地比较了所提出的热管-液冷板混合BTMS与传统液冷板BTMS的冷却性能。为进一步提升整体系统性能，采用离散变量优化与连续变量优化相结合的方法对混合BTMS结构参数进行优化，并通过两种方法的综合对比确定最优配置方案。最终在多种工况条件下（包括不同放电倍率、环境温度及实际驾驶循环场景）验证了优化设计的有效性与鲁棒性。结果表明，所提出的混合BTMS在改善温度均匀性、降低，并增强系统适应性，从而为高能量密度电池组热管理系统的工程应用提供可靠的设计指导和优化方法。
