CAT蓄电池毛细驱动制冷剂直接冷却用于高效锂离子电池热管理
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-04-02 10:04:45 点击： 次
摘要
制冷剂直冷技术是电池热管理系统(BTMS)中一项高效且具有前景的温控方案。作为制冷剂直冷系统中的核心部件，直冷板(DCP)对调控电池温度起着关键作用。本研究提出一种采用高效毛细驱动芯直冷板的制冷剂直冷系统，该毛细芯由双层铝网与激光加工形成的纳米结构构成，通过强化两相传热过程，可提升电池热管理系统的冷却能力与温度均匀性。研制的DCPs由于引入了毛细驱动芯结构，展现出卓越的散热性能、温度均匀性及抗热冲击能力。通过可视化实验研究了毛细驱动芯对工质（R134a）流动行为的强化机制。具体而言，在500W热载荷条件下，所开发DCP的温差仅为3.9°C，较传统DCP降低68%。该研究不仅为高效电池热管理系统（BTMS）的高性能DCP设计提供了新思路，同时有助于提升电动汽车锂离子电池的运行效率与安全性。
引言
进入21世纪以来，能源与环境问题日益紧迫。降低环境污染与温室气体排放的需求，极大地加速了电动汽车(EVs)[1][2]的发展。作为电动汽车的动力来源，高能量密度的锂离子电池在工作过程中可能产生大量热量[3]，导致电池温度显著升高。电池温度上升会降低其效率与使用寿命，甚至可能扳机热失控等安全事故[4][5]。当前，极端快速充电技术的迅猛发展使得锂离子电池在充放电过程中承受极高电流[6]，这使得电池热管理及适宜温区控制显得更为关键且必要。
目前，电池热管理系统（BTMS）被用于调控电池温度以实现峰值性能并最大化电池寿命周期[7]。BTMS中采用了多种冷却方法，包括空冷、液冷、相变材料冷却、热管冷却以及制冷剂直接冷却。其中，空冷方案具有结构简单、可靠性高及成本低廉的优势，但其较低的热传导系数可能难以满足当前高倍率充放电工况下的散热需求[8]。液体冷却虽是最常用且成熟的解决方案，其传热效率却显著高于风冷[9][10][11]。但需额外配置冷却剂循环系统，导致结构复杂化并引发冷却剂泄漏的潜在风险[12]。相变材料冷却在电池热管理系统（BTMS）中的优势体现为高效制冷、结构简单且无需外部能耗[13][14]。然而，其高潜热容量仅能在狭窄温度区间内发挥作用，制约了应对电池温度突变的能力[12][15]。热管与均热板虽具备高热导率和结构灵活性，却会大幅增加整个BTMS的重量与成本。此外，如何改进这些装置与电池单体间的接触材料以降低热阻，仍是亟待突破的技术难题[16][17]。另一方面，制冷剂直冷技术利用制冷剂的液气相变来管理电池的热状态，实现了极高的传热效率[3], [18]。该方法通过将直冷板（DCP）与电动汽车空调系统的蒸发器并联连接，使其可直接集成至制冷循环系统中[19]。这项高效技术简化了电池热管理系统（BTMS），形成结构高度紧凑、成本更低且可靠性更高的系统[20], [21]。因此，基于制冷剂直冷的电池热管理系统具有显著的实际应用价值与发展潜力。
作为制冷剂直冷系统的核心部件，DCP（直冷板）直接与电池进行热交换[22]。其设计与流道配置对决定电池热管理系统（BTMS）整体传热效率具有关键作用。当前多数研究集中于DCP流道的结构设计与流量分配优化，这些研究主要沿袭液冷板（LCP）领域确立的方法论[21][23][24][25]。Wang等学者[24]提出了一种采用五流道DCP的制冷剂直冷BTMS，在3C放电条件下实现了电池最高温度的显著降低。同样地，Shen等人[25]研究了DCP三种不同流道构型对BTMS传热能力的影响，证实多流向蛇形流道虽需承受较高压损代价，但能呈现最优传热效果。这些优化措施主要提升了制冷剂的分布均匀性，并促进了双相冷却板（DCP）内的湍流效应，从而改善了板的温度均匀性。在单相冷却板（LCP）中，冷却剂通过无相变过程的对流换热传递热量，因此通道优化对温度控制具有显著效果。然而在双相冷却板（DCP）中，传热过程主要由液态制冷剂通过汽液相变吸收大量潜热实现蒸发所主导[11]，这限制了传热强化的有效性。
当液相制冷剂沿流动路径汽化时，DCP中的气液比逐渐增大。这导致气相与液相在重力方向上出现显著分层，进一步削弱了沿冷却通道侧壁和顶部的对流传热效应。因此，DCP在流动方向和重力方向上均表现出明显的温度梯度。与此同时，流道内局部干涸现象可能加剧过热区域风险，这对电池性能与寿命具有显著负面影响。这归因于制冷剂无法有效润湿通道壁面并及时补充，从而导致热交换过程不充分且效率低下。为解决上述挑战，我们开发了一种采用毛细驱动芯（CDW）的直接冷却板（DCP）制冷剂直冷系统。该CDW由双层铝网和激光加工形成的纳米结构组成，以强化两相传热。具有高毛细能力的CDW通过促进制冷剂流动并加速其输运，使制冷剂能够润湿通道侧壁及顶部。通过毛细实验与润湿性测试，我们对带CDW的DCP进行了优化设计。热性能测试表明，采用CDW的DCP具有卓越的温度均匀性与抗热冲击性。本研究为制冷剂直冷式电池热管理系统（BTMS）提供了一种高性能DCP设计新方法，对电动汽车（EV）实际应用中的BTMS具有重要工程意义。
