CAT蓄电池采用螺旋管液冷与相变材料和翅片集成的锂离子电池热管理性能优化
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卡特蓄电池 发布时间：2026-03-30 16:31:42 点击： 次
引言
全球能源危机的加剧与环境污染的恶化，加速了人们对新能源汽车、储能装置及便携式电子产品日益增长的需求。锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优势，被公认为上述应用场景的首选能源解决方案[[1], [2], [3]]。现有研究表明，锂离子电池的最佳工作温度通常为20–40°C。此外，电池组内单体电池之间的温差应控制在5°C以内[[4], [5], [6], [7]]。在各类电池型号中，18650型圆柱电池因其成熟的制造工艺和优异的性价比优势，已广泛应用于电动汽车及日常消费品领域。然而，随着功率和能量密度的持续提升，热管理面临重大挑战。若高倍率放电、快速充电或极端工况下产生的热量无法有效散逸，电池温度将急剧上升。这不仅会导致电化学性能衰减，还可能触发包括热失控、起火甚至爆炸在内的严重安全隐患[8,9]。
电池热管理系统(BTMS)的研究因电池热管理需求近年来成为学术界与工业界的热点领域。主流冷却方法涵盖空冷、液冷及相变材料冷却[[10], [11], [12]]。空冷方案因其结构简单、成本效益显著已成为普遍应用，但在高功率密度工况下难以同时保障快速散热与温度均匀性[13]。Pesaran等采用ANSYS对两种空冷构型的二维热行为进行了对比研究。平行气流可降低模块最高温度并减小单体电芯间的温差[14]。相变材料冷却通过潜热吸收与释放缓冲瞬态热流，从而提升温度场均匀性。然而其固有低导热系数与封装工艺难点限制了实际应用[15]。基于数值模拟研究，通过优化单体电池间距、相变材料熔点及导热系数，可显著降低电池模组的峰值温度并提升温度一致性[16]。凭借优异的导热性能与温度均一性特性，液冷技术已成为大功率充放电场景的主流解决方案[17]。常见的平行流道与蛇形流道等构型，均通过冷却通道与电池间的间接接触实现热交换。冷却剂流速与几何流道形状通过采用平行冷却流道的管道改进方案，可将电池最高温度降低18%。蛇形流道设计经过优化后能提升温度均匀性与散热效率[19]。相比之下，螺旋流道构型因其延长的传热路径和增大的比表面积而受到越来越多的关注[[20], [21], [22]]。Bonab等本研究介绍了半螺旋管内的流动沸腾与气流辅助冷却相结合的方案，实验验证了螺旋管沸腾能够有效移除潜热并维持电池温度的稳定。此外，调控状态下较高的流速与加速的燃料费流量可降低电芯最高温度，从而最小化电池包内部温差[23]。尽管单模式液冷强化了传热效果，但在高功率工况下仍会出现局部热点，因此需要通过多模式热管理策略的协同优化来解决该问题。
将相变材料与液冷散热方法相结合已成为研究热点[24]。在此类混合配置中，相变材料通常被布置在单体电池周围或冷却系统内部，通过相变过程中的潜热吸收来降低电池峰值温度。储存的热量在放电阶段末期被释放，以实现热管理调控。Zonouzi等人将螺旋液冷管与相变材料耦合使用。在特定工况条件下[21]，相较于纯液冷系统，耦合相变材料（PCM）的冷却系统能更有效降低电芯表面温度与内部温差。此外，翅片结构可显著扩大冷却板的换热面积，其几何参数（如形状、尺寸与间距）对热性能具有关键性影响[[25], [26], [27]]。基于此原理，Dong等学者提出了一种融合双螺旋通道与翅片结构的创新设计[22]。该方法通过延长传热路径与增大换热面积，使电池冷却性能得到显著提升。
尽管在液冷技术、相变材料(PCM)和翅片强化方面取得显著进展，关于这些技术集成应用的系统性研究仍然有限。实际电池模组的设计面临多重约束条件，包括有限安装空间、电芯间的热耦合效应、复杂温度场分布以及变工况下的动态载荷。这些约束构成了一个复杂的多目标优化问题，需要在热管理性能、能耗水平和系统复杂度之间进行精细化权衡。
本研究提出了一种面向18650圆柱电池的多模态热管理架构，以应对上述挑战。该架构采用三明治式耦合散热结构，集成了螺旋液冷管、相变材料（PCM）与散热鳍片。在该配置中，螺旋冷却管缠绕每节单体电池以扩大传热表面积，并通过诱导湍流增强对流冷却效果；局部相变材料层通过潜热吸收缓解峰值热负荷；布置于相变材料层间的散热鳍片则扩展了冷却面积，从而提升整体散热性能。构建了四种不同的热管理方案并进行对比评估。对螺旋液冷系统的关键参数进行了优化，分析了流道数量、冷却液流速和流道几何形状对电池峰值温度及最大温差的影响。通过建立正交实验设计表量化各因素对单体电池温度的影响程度，为后续研究提供设计指导。在紧凑外壳内集成了多性向热管理组件。此外，所提出的构型设计旨在确保高功率、高能量密度电池组的安全稳定运行。
