CAT蓄电池基于田口方法改善锂离子电池组热管理及关键影响因素评估研究
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卡特蓄电池 发布时间：2026-02-27 09:48:55 点击： 次
摘要
有效的热管理可确保电动汽车（EV）电池组的安全运行，并提高其能量效率与使用寿命。本研究通过计算流体动力学方法，针对两轮电动汽车锂离子电池组在实际道路行驶的两种工况及四种不同环境温度下的热性能展开分析。为提升电池组传热能力，研究提出了七种结构优化模型。采用田口方法评估了关键因素对电池包温度的影响程度，包括环境温度、车辆运行工况、上盖与壳体材料以及盖板固定肋的结构参数。结果表明，所有提出的结构模型均显著改善了传热性能，使单体电池平均温度维持在60°C的工作限值以下，且相较于原始模型可将平均单体温度降低达13°C（降幅约23.24%）。电池包上盖与壳体材料对其散热性能具有决定性影响，应作为改善电池热管理研究的优先优化对象。本研究可为同类热管理研究提供参考，尤其对低功率电动汽车提升电池包寿命和效率具有指导价值。
引言
当今全球向替代能源的转型是对化石燃料造成的环境与经济挑战的关键应对。太阳能、风能、电能和生物质能等可再生能源技术正被广泛采用，以减少温室气体排放并应对气候变化[[1],[2],[3]]。在交通领域，这一转型体现为电动汽车(EVs)[4,5]、氢能车辆[6,7]以及生物燃料汽车[8,9]带来的革命性变革。以欧盟《可再生能源指令》为例，其目标是在2030年前实现至少32%的可再生能源使用率，这将显著影响交通政策[10]。得益于科学技术的日益进步，电池动力电动汽车与传统燃油车之间曾存在的巨大技术差距正逐步缩小，不仅提升了使用便利性与用户体验，更降低了总体拥有成本[[11],[12],[13]]。
早期电动汽车(EV)模型最初采用铅酸电池作为车载能源，因其安全性高、功率密度大、成本低廉且可回收利用。然而，低能量密度、循环寿命短、维护成本高以及存在环境危害的废弃处理流程，极大限制了铅酸电池的适用性[[14], [15], [16]]。这一缺陷促使研究者持续推动储能系统的技术进步。基于此，动力电池技术转向开发镍基体系，包括镍镉、镍锌、镍氢及钠镍氯化物电池。相较于铅酸电池，这类电池在储能容量、耐久性及环境兼容性方面均有显著提升[17]。现代电池技术中，最具优势的锂离子(Li-ion)材料已成为众多实际应用的基石。根据国际能源署[18]的数据，2024年能源领域占锂离子电池年需求量的90%以上，较2016年50%的占比显著提升，而当时市场规模明显更小。除储能应用外，锂离子电池还在交通电气化领域占据主导地位，其化学体系根据矿产可得性和成本考量进行调整，使得磷酸铁锂电池的市场份额持续上升，目前已占全球新能源汽车销量的40%。此外，中国持续领跑全球汽车市场，2024年新能源汽车占全部汽车销量的近50%，销量突破1100万辆，超过2022年全球新能源汽车总销量。相比之下，欧洲和美国的新能源汽车市场份额分别约为20%和略高于10%，而东南亚地区占比约9%。2025年，受自2010年以来电池成本下降90%及有毒污染物排放标准趋严的推动，电动汽车销量预计将突破2000万辆，占全球汽车销量的25%以上。在此扩展包中，纯电动汽车占据全球电动汽车销量的主导地位，占比约三分之二，而插电式混合动力汽车的贡献则较为有限[19]。纯电动汽车的卓越表现归功于其相较早期车辆技术的性能优势，包括更高的能量密度与功率密度、自然界最轻的金属以及最显著的电化学势。此外，锂离子电池因无记忆效应、自放电率更低且维护需求极低，具备更长的循环寿命，在性能与成本效益方面远超大多数其他电池类型[20]。
显然，电池组由大量单体电芯组成，由于气流空间受限、热相互作用及热耦合效应，会导致热量积聚。内部某一组件产生的热量会影响邻近组件，从而引发温度不均衡、热干扰及梯度分布问题。一旦超出温度范围限制，电池容量、可靠性与安全性将逐步下降，最终可能诱发热失控[[21], [22], [23]]。该现象会引发不可控化学反应、组件熔融及灾难性损毁[24]。因此，确保运行过程安全性的核心问题在于：通过有效控制和管理产热或热管理，同时提升散热与冷却能力，以实现电池组的最佳性能[25,26]。
众多先前研究已综述了电动汽车热管理的现状与未来趋势，以应对交通运输中电池组热控制与管理的挑战。Asim等人[27]深入分析了配备高功率电子设备的电动汽车在热管理方面面临的挑战[28,29]，并系统梳理了科学界提出的前沿冷却方法[[30], [31], [32], [33]]。此外，他们强调实现高功率电子设备电动汽车的优化热管理至关重要，因其显著影响电动汽车的性能、可靠性、排放水平及能效。综合上述文献可知，优化热管理可确保更高的运行可靠性，并在各种工况下维持电池系统的功能性能。
为了优化热控制与管理，提高电动汽车电池组散热效率与冷却能力至关重要。目前已有多种先进解决方案被提出，包括电池组结构优化与电池技术发展。其中，空气冷却仍是电池组最主流的冷却方式。Park[34]还研究了混合动力汽车锂离子电池组强制风冷的气流配置方案，建议采用渐缩式集流管与泄压通风设计，在不改变现有电池系统结构布局的前提下实现更优冷却性能。Xie等[35]采用正交设计法评估了关键参数对电动汽车强制风冷锂离子电池组结构设计优化的影响。结果表明，气流通道的布局对最高温度和温差具有最显著的影响。Zhang等[36]提出了一种采用策略性布置气流扰流板增强的平行强制风冷系统。研究采用计算流体力学(CFD)模拟优化了扰流板的数量、位置、角度和高度。经优化的扰流板配置显著提升了散热性能，使电池组的峰值温度降低达6.66%，温度不均匀性降低94.24%。Yang等[37]提出了一种混合电池热管理策略，该策略将强制风冷与相变材料填充的导流区块相结合，以重塑模块内部的气流分布。这种新颖结构有效抑制了涡流形成并降低了湍流强度。Han等[38]设计了一种改进型强制风冷系统，通过在电池套筒上安装非均匀缺口环形翅片来强化散热并限制热失控传播。经优化后的翅片结构使最高温度降低了1.91–2.20°C，并将温度不均匀性降至70%。54-82.38%之间。Kirad和Chaudhari[39]研究了30节锂离子模块的强制风冷策略，重点分析了纵向与横向单体间距对热行为的影响。研究表明横向间距对冷却效率具有显著影响，而纵向间距则影响温度均匀性。Li等[40]通过对比自然通风与强制通风，采用三维热电化学模型研究了锂离子电池组的强制风冷策略。他们进一步通过人工神经网络结合上述模拟模型，优化了电池间距与环境条件等关键设计参数。优化后的配置实现了峰值温度降低1.94%，温度不均匀性减少17%。Wang等[41]通过实验评估了Z型空冷电池热管理系统中的往复式气流策略，重点研究了提升温度均匀性的关键控制参数与新型气流方案。经优化的往复冷却使最大温差降低65.5%，间歇控制模式进一步实现10.1%的能耗削减。
除空气冷却方法外，Zhu等[42]采用工作流体构建了电池浸没式冷却系统以解决热量积聚问题。通过比较四种特定冷却通道在不同质量流量下的表现并评估温度均匀性，研究者确定了一种优化设计的冷却架构。Zhao[43]针对电池组液冷板的研究表明，单通道设计相较于多通道结构展现出更优异的散热性能。通过对流道宽度、流道高度及冷却液流速的后续优化，该系统得以将最高温度维持在27.7°C，且温差仅为1.9°C。Ding[44]分析了液冷流道几何构型对电池组温度场的影响，发现增加流道数量可持续降低峰值温度与温度离散度。研究进一步表明，方形流道性能优于圆形流道，而矩形流道随着纵横比增大可实现更低的峰值温度。
此外，部分研究聚焦于双轮电动车电池组的使用。Chidambaram等人[45]评估了电动两轮车电池组外壳的热力学与结构性能，重点考察了多种材料及隔离间隙对耐热性与机械完整性的影响。通过有限元法与模态分析，该研究确定AL6061为最适宜的外壳材料，并提出金属壳体需保持至少2.5毫米间隙、聚四氟乙烯需10毫米间隙以维持安全热性能的结论。Kongi等人[46]通过集成一种基于石蜡混合石墨烯纳米颗粒的相变材料冷却系统，对电动两轮车32,700节电池组的被动热管理方法进行了数值评估。结果表明，与自然风冷相比，该冷却方案能显著改善温控效果。同时，重新设计的电池外壳在80公斤载荷下变形量小于0.1毫米，保持了结构完整性。Pathmanaban等[47]采用多机器学习模型预测不同读档工况与充电条件下电动自行车磷酸铁锂电池的温度特性。研究发现电池温度随乘客多性向载荷与日间充电而升高，且电池组前侧因外部环境影响始终维持更高温升。
现有大多数研究针对大功率电动汽车提出了多种可行解决方案，例如混合动力、插电式混动以及轻度混合动力车型。此外，电池技术的进步促使制造商开发出针对特定用途的多样化电芯类型，涵盖多种应用场景[48]。大容量电池组通常采用模块化大尺寸设计，在宽敞的外壳内连接多个模块，这种结构既便于集成风冷或液冷通道，也可与车辆制冷系统实现耦合。该架构支持系统级电池管理，确保运行期间具有高度的温度均匀性。相比之下，两轮车用电池包在重量、体积和成本方面受到显著限制，因此通常采用串联排列的圆柱电芯，既无专用冷却设计，内部仅依靠电池包自然对流，外部则依赖被动散热。这些特性带来了与高功率电动汽车截然不同的热管理新挑战。然而，针对两轮车辆小型电池组的热管理与温度分布研究仍非常有限。此外，尽管先前大量研究主要集中于通过结构优化来提升电池组的热管理与传热性能，但环境温度、车辆运行工况、结构参数等关键因素对电池组散热的主要影响评估仍存在研究不足，特别是应用于小型两轮车辆的电池组。因此，本研究旨在为该领域贡献有价值的见解，填补这一科学研究空白。
因此，本研究通过计算流体力学模拟，考察了环境温度变化、电池包外壳材料应用以及顶盖固定肋结构设计对两轮低功率电动车辆中10串4并（10S4P）锂离子电池组散热过程与温度分布的影响，上述工况通过车辆动力学计算确定。基于这些改进方案开发的七种构型对比，最终提出了最优电池包设计方案。这有助于延长电池寿命，并确保电芯温度低于制造商提供的60°C工作温度限值。最终采用田口方法评估关键指标与结构参数的主要影响，识别出对电池组温度影响最显著的因素，同时指出在不改变原有布局的前提下，优先修改电池组以强化最显著的散热效果。本工作可为改进电池组热管理与传热性能的后续研究提供参考。
