基于耦合液冷技术的锂离子电池组热性能提升多因素分析
2026-05-27 21:05:47 点击： 次
为提升电动汽车在高放电率下的热性能与安全性，本文设计了一种耦合液冷系统的锂离子电池组。研究提出并测试了多种构型的多翅片通道在不同工况下的表现。结果表明，采用多翅片通道的液冷电池组性能显著优于风冷系统，能有效降低最高温度11.56°C，并将电池组温差Δ降低3.76°C。此外，还探究了通道入口尺寸(Φ)与翅片外宽对) 显著影响电池组散热效果，验证了翅片强化液冷策略在高电流工况下缓解热管理挑战的有效性。该maxΦ5–3 与Φ6–4 电池组在不同放电倍率下均能实现最优性能。Φ5-3电池组在5C放电倍率下达到=45.75°C且Δ=4.36°C，而Φ6-4电池组展现出更优异的热性能=40.6°C及Δ放电倍率为4C时，温差ΔT = 3.01°C。该研究结果为电动汽车开发更安全、高效且耐久的电池热管理系统提供了设计思路与运行指导。5–3 battery pack reaches Tmax= 45.75 °C and ΔT = 4.36 °C at discharge rate 5 C, while the Φ6–4 battery pack exhibits superior thermal performance with Tmax= 40.6 °C and ΔT = 3.01 °C at discharge rate 4 C. The findings provide design insights and operational guidance for developing safer, more efficient, and durable battery thermal management systems in electric vehicles.
引言
鉴于全球气温持续上升与非可再生能源压力日益加剧[1]，控制二氧化碳排放量至关重要[2]。为缓解化石燃料短缺与降低排放，可推动交通系统从燃油驱动向电力驱动的转型[3]。在此背景下，新能源电动汽车(EV)日益普及，其中锂离子电池(LiB)凭借其高能量密度、低自放电率和长循环寿命等优势备受青睐[4][5]。然而，电池具有显著的热敏感性，在充放电过程中可能导致热失控、自燃甚至爆炸[6]。为确保电池安全高效运行，最高温度（电池工作温度应维持在20℃∼50℃范围内[7]。此外，为防止电池老化、容量衰减及使用寿命缩短，其内部温差（∆max）需控制在5℃以内[8]。因此，构建有效的锂离子电池组热管理系统至关重要。T) within the battery should be kept within 5 ℃ [8]. Hence, establishing an effective thermal management system for lithium-ion battery packs is crucial.
为确保电池的最佳热性能，采用了多种冷却方法，包括空气冷却[9][10]、液体冷却[11][12]、相变材料(PCM)冷却[13]以及热管冷却[14]。其中，空气冷却可分为自然对流与强制对流，后者具有更优异的散热性能。Chen等人[15]研究了串并联风冷电池热管理系统(BTMS)中电池组的热性能，发现优化设计可提升冷却效率，且并联风冷表现优于串联风冷。He等人[16]基于最高温度位置调控串联冷却系统中的气流，通过该控制策略实现了功耗降低84%。Chen等人[17]优化了进出口位置，显著降低了分别降低4.5K和7.7K。然而单纯风冷系统无法在高倍率充放电过程中维持安全温度区间，这推动了液冷式热管理系统的研究发展。max and ∆T by 4.5 K and 7.7 K, respectively. However, air cooling alone cannot maintain safe temperature ranges during high-rate charging and discharging, thereby promoting the exploration of liquid-cooled thermal management systems.
对于液冷热管理系统，研究人员主要关注液体介质与冷却板设计[18][19]。例如，Li等人[20]提出了五种基于氟碳化合物的直接液冷冷却剂，相较于风冷系统，这些冷却剂能提供更优的温控与热失控预防效果。同样地，Tousi等人[21]通过采用AgO纳米流体冷却技术研究了电池的热效应，发现最大温差∆在3–7C放电倍率下，电池组的温升显著降低。此外，Yao等[22]提出并研究了一种仿生蛛网通道的液冷模型，该设计确保电池组在3C放电倍率下获得良好的温度均匀性。Tete等[23]设计了一种采用可插拔电芯的图形化圆柱形外壳电池组，将5C放电倍率下的最大温差∆有效降低。此外，一种新型锥形多流道散热器在维持安全温度范围与允许温差∆的同时，实现了86.3%的功耗降低。Yang等[24]首次提出该方案。Wei等[25]提出了一种变温度入口冷却剂策略，研究表明采用3串1并构型连接两组液冷板可使电池组最高温度降低17.98°C，同时将最大温差Δ控制在在2C放电倍率条件下温度降至3.98°C。Hu等[12]提出了一种仿生树状流道结构的液冷板。当入口流速为1.5m/s时，相较于平行流道和蛇形流道，该仿生树状液冷板的压力损失分别降低了1.03%和12.55%，且降幅达32.44%与23.56%。因此，液冷式电池热管理系统（BTMS）因其高效散热特性受到广泛关注，成为电池热管理领域的研究焦点。 was introduced by Yang et al. [24]. Wei et al. [25] proposed a variable temperature inlet coolant scheme, demonstrating that connecting two groups of liquid coolant plates in a 3-series, 1-parallel configuration effectively reduces the maximum battery pack temperature by 17.98 °C and controls the maximum ∆T to 3.98 °C under 2 C discharge rate conditions. Hu et al. [12] proposed a liquid cooling plate with a biomimetic tree-like flow channel structure. When the inlet velocity was 1.5 m/s, compared with the parallel flow channels and the serpentine flow channels, the pressure loss of the biomimetic tree-like liquid cooling plate was reduced by 1.03% and 12.55% respectively, and Tmax is reduced by 32.44% and 23.56%. So, the liquid cooling BTMS has gained significant attention for the efficient heat dissipation, making them a focal point in battery thermal management.
为解决现有液冷策略的局限性，需系统比较空冷与液冷电池热管理系统（BTMS），同时优化系统设计以提升热性能。基于上述液冷热管理方法的研究现状，学者们主要聚焦于冷却介质与冷却板的优化。因此，本研究开展了空冷与液冷策略的定量性能对比，并针对液冷板结构进行了定向优化。本研究聚焦于采用耦合液冷系统的锂离子电池组设计与优化，旨在提升电动汽车在高放电倍率下的热性能与安全性。为此，提出了一种具有多翅片结构的电池热管理系统（BTMS），其传热特性显著优于传统设计。此外，在不同工况下对交替流道设计方案进行了参数化评估。针对流道入口构型、通道宽度、冷却液流量及放电倍率对电池组温度分布和最大温差的影响，开展了系统的参数化分析。据此可开发出具有更高散热效率的优化冷却系统设计。改进方案能显著提升温度均匀性，有望延长电池循环寿命并增强运行安全性。该研究结果可为高性能液冷电池热管理系统的技术升级与工程应用提供有价值的理论参考与设计依据。