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液冷板结构优化及动力Discover蓄电池组热管理系统研究
为解决锂离子电池在高C速率工作条件下的关键热管理难题，包括热积聚和温度不均，首先测量了电池的基本电化学参数、热产生特性和热物理性能。随后，研究了纯液冷板的优化，提出了两种结构改进策略，并确定了关键设计参数——如流道宽度、板厚和冷却液流量——以提升其热管理性能。接着，构建了三种电池热管理系统：优化纯液冷板系统、液冷板-相变材料耦合系统和液冷板-相变材料-热管耦合系统。最后，通过数值模拟比较了这三种系统的性能，特别关注它们在高C率放电下的温度分布、最大温度和最大温差。结果表明，测得的电化学和热物理参数为数值模拟提供了准确的输入。通过优化液冷板结构，提出了结合湍流增强和协调压降的复合流道结构，显著提升了冷却剂流动的均匀性，同时降低了流阻。因此，液冷板两侧温差减少了15.8%，达到3.2°C，抽水功率消耗减少了20.1%，达到2729.5帕。在这三种系统中，液冷板-相变材料-热管耦合系统在高C速率下表现出最佳的热控性能，有效抑制了电池的温度上升并提升了温度均匀性。在3摄氏度放电速率下，最高温度限制在38.7°C，相较液冷板和液冷板-相变材料系统分别降低了39.6%和22.1%，最大温差分别减少了70.2%和50.4%。本研究为高热载条件下电池热管理系统的设计提供了新视角，特别是在液冷板结构优化及液冷板、相变材料和热管的联用方面，并为未来电动汽车和高能量密度电池的热管理提供了重要支持。
关键词
液冷板
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流通道优化
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电池热管理
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相变材料
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热管
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温度均匀性
简介
近年来，日益严重的能源危机和环境污染促使电动汽车（EV）迅速发展。为电动汽车提供动力的动力电池组是关键组成部分，锂离子电池因其高能量密度、长周期寿命和无记忆效应而被广泛采用[1]。然而，电池组的性能对温度极为敏感。先前研究表明，锂离子电池的最佳工作温度范围为25至50°C[2]。如果在电放电反应中产生的热量未能有效散发，持续的高温和热积累会降低电池性能，缩短使用寿命，在极端情况下甚至导致火灾或爆炸。因此，开发高效的电池热管理系统（BTMS）对于确保电池在实际电动汽车应用中的安全性至关重要。
现有的电池热管理技术可根据热传导介质类型大致分类，包括风冷[3]、[4]、[5]、液冷[6]、[7]、PCM冷却[8]、[9]、HP冷却[10]、[11]以及结合两种或以上这些方法的混合配置[12]、[13]、[14]、[15]。空气冷却成本效益高且结构简单，但其热传导效率有限，不适合高功率应用。PCM具有优异的等温吸热性能，能在相变过程中吸收大量热量，有效抑制短期温度峰值，从而提高温度均匀性。然而，单独使用PCM时，一旦大量热量被吸收并熔化，就不再提供进一步冷却，这可能会带来安全风险。基于HP的冷却具有非常高的有效热导率，但设计要求更为严格[16];因此，惠普冷却常与PCM冷却、液冷或其他技术结合，以增强二次传热能力[17]。在现有策略中，液冷系统因其高传热系数、快速的热响应和易于工程集成，已成为动力电池组中应用最广泛的主动热管理解决方案之一。典型的液冷系统通常通过通道循环冷却剂，如水-乙二醇，通过冷板/热界面将电池产生的热量传递到冷却剂中，实现快速耗散[18]。液冷BTMS的研究主要聚焦于两条方向：一是系统层面温控能力的验证和运行条件的优化。例如，Wang等人[19]将数值模拟与模块化液体热管理系统的实验评估相结合，提供了可控的T水平马克斯以及 ΔT马克斯在3C充放电条件下;Chen 等人[20]引入了基于神经网络的回归模型，用于优化小通道液冷方案，以实现对T的协同约束马克斯以及 ΔT马克斯;Rao等人[21]提出了一种可变接触面液冷结构，通过改变接触热传递边界，实现了显著降低ΔT的圆柱形电池模块马克斯在特定入口速度下。第二条路径聚焦于冷板通道结构优化和参数化设计，旨在“增强传热——降低压降”。Fan 等人[22]建立了结构参数与双层叶形通道目标函数之间的关系，提升了热性能并减少了压降;Zhang 等人[23]使用流线型通道用于大型袋状电池的液冷，并讨论了冷却启动策略和冷却液浓度对性能和成本的影响。
尽管上述研究展示了液冷方案在温度控制效率和工程可行性的优势，但对于典型的底部安装LCP配置，其冷却能力主要影响电池在Z方向的底部区域。由于电池在纵向的有效热导率有限，顶部的热传递受阻，导致垂直热阻占主导，温度梯度较大。这一瓶颈已被多项研究反映：Li等[24]显示，在底层LCP条件下，T马克斯可在约38.83°C控制，但ΔT马克斯最高气温仍高达9.96°C;Li等人[25]模拟并实验评估了仿生血管结构冷板，发现ΔT马克斯气温较高（约6.32°C）;你等人[26]进一步指出，仅使用底部LCP时，模块顶部和底部的温差可达约13.7–14.0°C。 这些结果表明，虽然底部冷板在抑制峰值温度方面有效，但在高C率或大尺寸电池下，保持均匀温度的能力仍受限于“Z方向热传递瓶颈”。因此，有必要通过构建高效的纵向传热通道或引入多机理耦合来削弱垂直热阻并提高温度均匀性。
为了提高底部LCP方案的温度均匀性，研究人员将LCP与PCM结合，利用PCM的潜热吸收实现峰值削减和短暂缓冲，以抑制局部过热并减少模块温差。现有研究已从比较方案和性能增益角度验证其有效性：Xin 等人[27]在比较 PCM 冷却、液冷及其组合后指出，在 37 °C 和 2°C 放电条件下，复合系统实现了 T马克斯= 48.97 °C 和 ΔT马克斯= 4.5 °C;Zhang 等人[28]进一步证明，与纯 PCM 冷却相比，LCP–PCM 复合材料 BTMS 降低了 T马克斯减少27.63%，比例降低马克斯提升35.58%，突出液冷与潜热缓冲的协同效应;Karimi等人[29]从增强角度进一步验证，显示其液冷-PCM混合系统降低了睾酮水平马克斯从64.15°C降至31.95°C（下降50.1%）。
然而，这些优势在很大程度上依赖于PCM相变过程中的潜热吸收。在长时间高热通量条件下，PCM的低热导率限制了热量传递和释放到冷板。此外，一旦PCM接近或完成相变，如果没有高效的散热通道，系统将从潜热缓冲转向感热传导优势。热量倾向于沿电池高度方向积累，形成Z方向温度梯度。相应地，Zhang 等人[30]在PCM/LCP耦合微通道系统中观察到放电结束时的显著温度差异：在1摄氏度、3600秒条件下，ΔT马克斯不同流道配置时温度维持在4.26°C至4.64°C之间。因此，尽管LCP–PCM方案可以实现峰值削减并在一定程度上改善温度均匀性，但要进一步实现“快速传热-及时排热”的协同效应，仍需引入增强纵向传热的结构，以加速PCM热释放并降低垂直热阻。
为解决这一问题，引入了高压结构以显著提升传热效率。由于其高效热导率、结构简单且成本低廉，HP为热管理提供了实用且可持续的解决方案。与传统的圆柱形高压相比，扁平热管增加了与PCM的接触面积，从而改善热耦合，降低界面热阻，并确保PCM层内热量扩散更均匀且快速。此外，采用扁平热管使系统设计更加紧凑轻便，在牵引电池和高功率电子设备的热管理方面具有明显优势。研究已验证通过不同耦合形式增强温度均匀性：Zheng 等人[31]报告了 T马克斯= 53.85 °C 和 ΔT马克斯= 15.05°C，2°C排放，表明HP可将温度波动降至3.2°C;Chavan等人[32]提出了LCP–HP复合冷却系统，该系统降低了睾酮马克斯相较于独立的LCP降低约6°C，并提升温度均匀性;Chen 等人[33]将脉冲热管与液冷（TiO₂ 纳米流体）结合，实现了 T马克斯= 42.07 °C 和 ΔT马克斯<34.85°C时2°C，1°C，温度均匀性提升60%;Nata等人[34]还原了睾酮马克斯温度降至36.85°C，范围为0.5°C–1.5°C，进一步降至35.1°C。 此外，Leng等人[35]将HP与PCM结合，实现了42.85°C的表面温度，比独立HP低24°C，并将温度控制时间延长了1.7倍。总之，HP尤其是平面结构，能够提供高效的纵向传热通道，促进快速的热迁移和及时的PCM热释放，这为缓解LCP–PCM系统中的Z方向温度梯度和响应延迟提供了关键支持。
总之，目前关于耦合BTMS的研究主要限于不同子系统的简单组合。PCM与HP和液冷系统的结合应用仍然非常有限，如何有效结合这三种策略以弥补单个热管理技术的局限性并提升BTMS整体热安全性能的问题，仍然大多未被充分探索。为解决上述问题，采取了以下策略。首先，设计了一种结合液冷、PCM和HP的新型BTMS。该系统随后应用于包含NCM811 30 Ah棱柱单元的电池模块，并进行了实验以获取关键参数。其次，通过对液冷系统的结构优化，提出了低损耗复合LCP通道（岛式扰动结构+穿孔交叉链通道），以提升流动均匀性，同时降低压降/泵送功率，从而提升冷却性能，优化后的液冷系统随后与PCM和HP结合，形成耦合系统。第三，进行了数值模拟，研究BTMS在不同工作条件下温度均匀性和温度控制的机制。最后，通过比较 T马克斯以及 ΔT马克斯在不同运行条件下，分析了BTMS的传热性能，并评估了其在高热载荷条件下的热管理效果。
本研究为高热载条件下电池热管理系统的设计提供了新视角，尤其在LCP结构优化及LCP、PCM和HP的耦合应用方面具有创新性，从而为未来电动汽车和高能密度电池的热管理提供了重要支持。