CAT蓄电池电动汽车锂离子电池热管理蛇形微通道液冷实验研究与性能分析
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-02-28 10:10:40 点击： 次
摘要
交通领域的快速电气化进程需要高效的热管理系统，以确保锂离子（Li-ion）电池的安全性、性能表现及使用寿命。传统的空气冷却与直通道液冷系统在高倍率运行时常出现温度分布不均与散热不足的问题，从而限制电池性能与寿命。本研究通过实验探究了一种蛇形微通道液冷设计方案，旨在提升锂离子电池模组的散热效率与温度均匀性。实验中构建了由20节圆柱形21,700电芯（10S2P排列）组成的电池模组，并在1C、2C、3C充放电倍率下进行测试，冷却液流速范围为100至700毫升/分钟。结果表明，相较于无冷却工况，蛇形微通道设计能显著降低电芯最高温度与最大温差。在1C倍率且最佳流速为300毫升/分钟的条件下，温度从57°C降至37°C（降幅达35%）；而在更高放电倍率（2C和3C）下，系统实现了25至30°C的温降，证明了其在严苛工况下卓越的传热能力。该系统通过冷却液与电芯间的电气隔离设计，确保了运行安全性与稳定性。这些研究结果表明，蛇形微通道冷却技术作为一种紧凑、可扩展的高效解决方案，可应用于电动汽车新一代电池热管理系统，从而提升运行安全性、改善性能表现并延长电池使用寿命。
引用
电动汽车(EV)在全球范围内的迅速普及，源于减缓温室气体排放、降低对化石燃料依赖以及缓解交通运输环境影响的迫切需求。锂离子(Li-ion)电池作为EV运行的核心组件，因其高能量密度、长循环寿命及相对稳定的电化学性能，已成为首选储能技术。然而，锂离子电池的热敏感性带来了重大挑战[1],[2]。充放电过程中产生的过量热量不仅会加速性能衰退与容量衰减，更可能引发热失控这一危险现象，导致火灾或爆炸风险显著增加。为确保可靠性与安全性，将电池组维持在最佳工作温度区间（通常为20至40°C）至关重要[3]。在全球可持续发展与气候变化的承诺框架下，交通运输业正经历向电动汽车(EVs)转型的关键阶段。锂离子电池(LiBs)因其高能量密度、往返效率及长循环寿命，已成为电动汽车储能系统的首选方案。然而其性能与安全性高度依赖工作温度，过热可能触发热失控等严重风险[4][5]。
电池热管理系统(BTMS)在调控单体温度、降低模组间温差以及防范热危害方面具有关键作用。若热管理不善，可能导致电芯温度超过60°C，进而引发单体间劣化速率不均、续航里程缩短及重大安全隐患。为解决这些问题，业界已提出并实施了多种BTMS策略，包括风冷、液冷、相变材料(PCMs)、热管及复合冷却方案[2]。风冷系统具有轻量化与结构简单的优势，但由于其较低的对流换热系数[6]，通常难以满足高功率应用需求。相比之下，液冷系统凭借其高比热容和卓越的导热性能，已被特斯拉(Tesla)和宝马i3(BMW i3)等商业化电动汽车广泛采用。然而，基于直通道或扁平冷板的传统液冷设计方案，通常与电芯的接触面积有限，导致局部热点和温度均匀性较差[7][8][9]。锂离子电池的安全运行高度依赖其热环境，因为高倍率充放电过程中产生的过量热量会使电芯温度超出推荐限值并加速性能衰退。传统风冷系统虽因成本低廉、结构简单而被广泛应用，但其普遍存在传热系数低、温度均匀性差以及在较高负载下寄生功耗大等缺点。这些缺陷使得风冷技术难以适用于高温环境或持续高功率工况下运行的大容量电动汽车电池组。因此，有效的电池热管理系统（BTMS）对于维持电池在安全操作窗口内运行至关重要[10]。更先进的散热方法（如液冷和热管技术）虽具有更高的热效率，但通常涉及复杂的集成要求和更高的系统成本。与主动冷却策略并行发展的是相变材料（PCMs），其凭借被动吸热能力引起了广泛关注。相变材料通过相变过程中的潜热储存，既能限制电池峰值温度，又可减小热梯度，且几乎不消耗外部能量。这一特性使其在需最大限度降低重量与功耗的应用场景中极具吸引力[11][12]。
大量研究致力于通过结构优化提升液基电池热管理系统（BTMS）的效率，典型案例包括微通道冷板、波浪形或蛇形流道以及电池间离散分布的液冷通道[13][14]。同时，学者们也探索了相变材料（PCM）与液冷复合方案、翅片强化对流换热等混合冷却策略，这些方法在降低峰值温度与提升温度均匀性方面成效显著[15]。但此类方案存在系统复杂度增加、重量负荷上升或相变材料可燃性引发的安全隐患等固有缺陷。此外，众多先前研究集中于单电池配置或小规模模块，对实际电动汽车放电条件下电池组层级行为的认知较为有限。文献表明，尚未解决的关键挑战之一在于同时实现较低的最高单体温度、跨电池的最小温度梯度，以及适合集成至电动汽车平台的紧凑且可制造的系统设计。文献中报道了多种基于液冷冷板和微通道管的电池热管理系统（BTMS）设计，均旨在提升冷却效率、改善温度均匀性并确保锂离子电池模块的运行安全。凭借其高传热系数、优异的热稳定性及在电池组层级的可扩展性，液冷已成为电动汽车电池热管理领域最高效的策略之一。在液冷方案中，采用嵌入式流道的冷板冷却系统是特斯拉、宝马等商用电动汽车平台最广泛采用的配置方案。传统直通道或底部液冷设计依赖强制对流从电芯中导出热量，但其性能往往受限于冷却剂与电芯表面接触面积不足，导致高倍率工况下出现局部热点与温度分布不均问题[17][18]。为克服这些局限性，研究人员日益聚焦于通过微通道与蛇形通道设计来强化冷板几何结构。微通道及迷你通道冷板采用密集排列的窄通道阵列，这些通道加工于铝或铜基板内，可显著增加有效传热表面积。实验与数值研究证实，相较于传统直通道设计，微通道冷板能实现电芯峰值温度的大幅降低与热均匀性的显著提升[21][22]。然而，这些系统常面临流动分配不均、压降增大及制造工艺复杂等问题，限制了其在大规模电池模组中的实际应用。在基于液冷的电池热管理系统中，蛇形通道与波浪形通道构型展现出显著优势。通过采用弯曲或正弦式流道设计，蛇形通道能够强化冷却剂混合效应、破坏热边界层并提升湍流强度，从而获得比直通道设计更高的对流传热系数[19][20]。多项近期研究报道了采用蛇形冷却板可提升热性能并实现结构紧凑化，然而这些研究大多局限于数值模拟或单电池实验装置。因此，蛇形通道设计在电池模组层级的适用性——特别是在高倍率充放电条件下——仍未得到充分探究。另一种液冷策略采用离散通道冷却设计，通过在相邻电池间设置狭窄流道直接调控电芯间温度梯度。尽管该方法能缓解局部热点问题，但已有研究表明其在模组尺度上仍可能导致温度分布不均，特别是当冷却液未能均匀分配至所有流道时[23]。此外，此类系统因缺乏系统性的流量优化，其在不同工况下的冷却效能仍存在局限。另一项研究提出了一种基于机器学习的新型多目标优化框架，用于蛇形微通道冷板电池热管理系统，该框架同时优化电池最高温度、温度不均匀性、泵送功率和冷板质量三个目标。通过采用高斯过程回归代理模型结合广义差分进化算法三代(GDE3)和逼近理想解排序法(TOPSIS)，优化设计方案较基准模型取得显著提升——在保障热安全性的前提下，泵送功率最高可降低约69%，冷板质量减少约23%[16]。同样地，一项实验研究探讨了基于液体的电池热管理系统（BTMS）在电动汽车锂离子电池中的应用，该研究采用Al₂O₃纳米流体，相较于传统冷却剂展现出更优异的热调控性能。结果表明，在充放电循环过程中，适宜的纳米颗粒体积分数、冷却剂流速及入口温度能显著降低电池最高温度并改善温度不均匀性[17]。另一项数值模拟研究则分析了一种混合型BTMS，该系统整合了微通道冷板、Al₂O₃纳米流体与相变材料，适用于高倍率充放电条件下的锂离子电池运行。研究结果表明，采用相变材料（PCM）的蛇形通道虽能实现更优的散热性能（约91%），但需承受更高压降的代价，这凸显出电池热管理系统（BTMS）设计中热性能与泵送损耗之间的权衡关系[18]。另一项数值研究对比评估了四种水冷式冷却通道设计在高倍率运行工况下的电动汽车电池热管理表现。结果表明，模型4在温度均匀性与泵功消耗之间达到最佳平衡，为最优配置；而模型1则表现出较差的温度均匀性及整体BTMS性能[19]。另一项研究通过数值模拟与实验分析相结合的方法，提出并验证了一种新型模块化液冷BTMS，重点关注冷却液流速与冷却构型。结果表明：并联冷却模式与优化后的流向能显著提升温度均匀性，同时限制电池最高温度，使该设计适用于灵活可扩展的工业应用场景[20]。
总体而言，现有文献表明，液冷冷板和微通道设计相较于传统冷却方式具有显著优势。然而，关键研究空白依然存在，尤其涉及电池模组层面微通道冷却的实验验证、高倍率运行下冷却液流量影响的系统性研究，以及热性能与泵功消耗、系统复杂性等实际约束条件的综合评估。这些研究空白催生了本研究的开展，我们通过实验评估了一种集成于多单元锂离子电池模块中的蛇形微通道液冷系统，对其热性能进行了全面且面向应用的评价。相比之下，本研究开发的新型波浪通道液冷设计通过增强对流混合、增加有效传热面积、实现冷却剂在模块内更均匀分布等机制提升了散热性能。与以往仅停留在单电池测试或纯数值模拟层面的波浪/蛇形通道研究不同，本研究在不同流速条件下开展了系统化的模块级性能评估。该方法实现了高冷却效率、优异温度均匀性与工程可扩展性的平衡，从而确立了相对于现有电池热管理系统（BTMS）的创新性。在现有液冷策略中，波浪通道结构是一种极具潜力但尚未充分开发的解决方案。在冷却剂流道中引入周期性弯曲结构可增强湍流效应、破坏边界层，相较于直通道设计方案能显著提升对流换热系数。这种设计可在不显著增加系统空间占用的前提下，提高电池模组整体的热均匀性。尽管存在这些理论优势，目前针对波浪形流道电池热管理系统（BTMS）的系统性性能评估仍然有限，特别是在模组尺度下以及与电动汽车高倍率放电相关的工况条件方面。需要特别强调的是，本研究探讨的冷却构型并非电动汽车应用中常见的带有机加工内流道的传统固体冷板。%% 该创新系统采用基于空心冷管的液冷架构，其显著特征为厚度仅0.45毫米的超薄管壁，冷却液可直接流经管腔。这种结构差异显著降低了电池单体与冷却液之间的热阻，并实现了沿单体表面的局域化热提取。 %% 因此，本研究聚焦于薄壁空心冷却管系统的模块级实验评估，并结合热工水力性能分析，而非仅提出流道几何形状的变体方案。
既往研究往往局限于数值模拟，或未能在统一框架下将波浪形流道冷却与传统直通道系统进行基准比较。为填补这些空白，本研究针对锂离子电池模块的蛇形微通道液冷BTMS开展性能分析。主要目标包括评估不同流速下电池最高温度的降低幅度、模块整体温度均匀性的改善程度，以及波浪形流道设计在提升电动汽车应用安全性与稳定性方面的潜力。研究通过实验测试展开分析，从而实现对系统热特性的全面评估。通过与传统直通道冷却板的性能基准比较，突显相对改进优势。研究系统量化了峰值温度、最大温差（ΔTmax本研究通过综合评估热均匀性指数与温控效能，证实波浪形流道冷却结构为电动汽车电池组提供了一种可行且更优的替代方案。该研究成果通过引入波浪形流道结构的详细性能评估，丰富了液冷式电池热管理系统（BTMS）的知识体系。除具备强化传热与温度分布均匀性外，波浪形设计还具有可扩展性及与现有电动汽车冷却架构兼容等实用优势。研究结果凸显了该方法在提升电动汽车电池安全性与使用寿命方面的潜力，从而有力支撑向可持续交通系统的广泛转型。为突破前述技术限制，本研究探索了采用蛇形微通道液冷集成的电池模块设计方案。
