SSB蓄电池多性向优化液冷板设计以提升电动汽车电池组热管理性能

2026-04-16 16:35:03

高效的电池热管理对于确保电动汽车电池组的安全性、性能和使用寿命至关重要。本研究比较了搭载92个特斯拉4680电池的电池组所采用的两种液冷板（CP）构型：传统的单向平行流道设计以及采用中心供液的双向流道设计（相邻流道内冷却剂流向相反）。通过建立稳态热流体动力学模型并结合多目标优化程序，旨在最小化温度不均匀性（Δ）与液压功率（冷却液循环所需的）。该分析针对2C放电工况进行，对应电池总发热量为2145.4 W，施加热通量为5082 W/m²。同时改变冷板厚度（4-8 mm）与长宽比（长度/宽度=0.174-5.75）。在研究范围内，双向流道构型始终优于传统设计。典型结果表明：对于厚度²=6 mm的正方形冷板，方案2将ΔT从2.0℃降至0.62℃，同时所需泵功也略有降低展弦比的影响同样显著：对于变体2而言= 4 mm且= 0.5 W时，Δ从短宽型冷板的约0.4 °C增至方形冷板的0.85 °C，以及长窄型冷板的1.7 °C。结果表明，中心进给双向流动结合短宽型冷板几何结构、高流道密度及较厚冷板，是一种极具前景的电池组液冷板设计策略。T from 2.0 °C to 0.62 °C while also requiring slightly lower P. The influence of aspect ratio was also pronounced: for Variant 2 with H = 4 mm and P = 0.5 W, ΔT increased from approximately 0.4 °C for a short-wide CP to 0.85 °C for a square CP and 1.7 °C for a long-narrow CP. The results indicate that centrally fed bidirectional flow, combined with a short-wide CP geometry, high channel density, and a thicker CP, is a promising design strategy for battery-pack liquid cold plates.

图文摘要

引言

锂离子电池因其高能量密度、低自放电率和长循环寿命而被广泛应用于电动汽车领域。然而其在充放电过程中会产生显著热量，若热管理不足将加速性能衰减、降低输出效能并增加安全隐患。因此电池热管理系统对于维持适宜工作温度区间、抑制电池组内部温度不均匀性具有关键作用[1][2][3]。在现有电池热管理技术中，液冷系统凭借其优异的热量移除能力、可靠的温度控制性能以及紧凑的集成特性，尤其适用于高性能长续航电动汽车[1][4]。
在实际电动汽车电池应用中，采用冷板（CPs）的间接液冷技术是最广泛采用的解决方案之一。此类系统中，冷却剂流经嵌入金属板的通道，同时热量通过兼具导热与电气绝缘功能的界面层从电池单体传递至金属板[2]。得益于其紧凑设计、高散热能力以及易于集成至电池模块的特性，液冷式冷板已成为先进电池热管理系统的核心组件。Zhao等学者的近期综述[5]进一步指出，液冷式电池热管理系统的设计改进与优化仍是电动汽车领域重要且活跃的研究方向。
液态冷却板（CP）的热工水力性能高度依赖于冷却剂性质、流道几何结构、流道数量、流道间距、冷却剂流速以及流动布置方式[1]。多项研究表明，在锂离子电池组中，微型流道CP能实现高效冷却与精准温控[6][7]。其他研究证实，包括蛇形与平行螺旋构型在内的替代流道布局，以及配备流量分配器的设计方案，可显著影响电池最高温度、温度均匀性及压降损失[8][9][10][11]。近期，Dai与Lai[12]针对棱柱形电池模块的液冷板流道布局方案开展了对比研究，证实流道排布方式对冷却性能具有决定性影响。Xie等[13]提出了一种针对大型电池模块精确设计的液冷板，研究表明合理设计的冷却结构能显著提升热管理性能。综合来看，这些研究显示热性能的提升通常伴随着液压阻力的增加，这使得液冷板设计本质上成为热力学-流体力学之间的Trade问题[6][7][8][9][10][11][12][13]。
为解决这一交易问题，优化方法已越来越多地应用于电池冷却系统与液体冷却板设计。先前研究采用了群体智能算法[14]、代理辅助优化框架[15]以及拓扑优化方法[16][17][18]来提升热工水力性能。最新研究仍延续这一方向，Kalkan等人[19]对锂离子电池微型通道冷却板进行了多目标优化，而Zhang等人[20]则研究了动力电池冷却板的结构设计与优化。这些研究证实优化能有效降低电池温度、改善温度均匀性并限制水力损失。但现有工作主要集中于传统单向排布或替代拓扑结构，而非采用相邻通道逆向流动的流道排布方案[14][15][16][17][18][19][20]。
尽管关于液冷CPs的文献数量庞大，但仅有有限数量的研究专门考察了双向通道排列方式——即相邻通道内冷却剂呈相反方向流动。Patil等[21]分析了采用U型转向微通道的CP，证明与完全单向布局相比，相邻通道的双向流动能显著降低温度不均匀性。Chen等[22]对比了多种微通道CP构型，发现具有缩短流路的双向对称排列能提供最低的温度不均匀性与水力损失。这些研究明确指出：通过横向热交换和降低冷却剂沿流路的温升，双向流动排列可有效改善热均匀性。
然而，若干关键问题仍未得到充分解决。特别是，关于板厚、板纵横比和流道密度对双向流动热工水力优势的综合影响，目前尚未进行系统量化研究。此外，在统一的多目标优化框架下，传统单向平行流道冷板与中央供液双向设计方案之间的直接对比研究仍然缺失[21][22]。这一研究空白具有重要意义，因为相对于先前研究的布局方案，中央布置的进出口结构能够缩短冷却剂流动路径，并可能进一步提升温度均匀性与水力效率。
基于这一研究空白，本研究探讨了两种用于电池热管理的液冷CP构型（如图1所示）：传统的单向平行流道设计（变体1）与中央供液的双向流道设计（变体2），后者相邻流道中的冷却液流向相反。研究目标旨在揭示流动排布方式、CP厚度与板件纵横比如何影响热界面温度不均匀性与冷却液循环所需水力功率之间的多性向权衡关系。为此，本研究将稳态热工水力模型与多目标优化程序耦合，以确定两种构型的优选设计方案。
本研究的创新性在于，在同一优化框架下对中央进料双向CP构型与传统单向平行通道设计进行了系统性热工水力对比。与先前研究[21][22]不同，本研究量化了中央进出口开口位置、板厚及几何比例对两种构型相对热力性能与水力特性的影响，从而为电动汽车电池组用液体CP提供了面向设计的指导。