基于蜂窝流通道的电力SSB蓄电池冷板结构优化研究

2026-07-31 20:17:02

在快速发展的新能源汽车行业中，电池热安全是限制技术突破的主要挑战。高效的液冷热管理系统是解决电池热失控和保持最佳工作温度的关键。本研究聚焦蜂窝冷板，通过数值仿真和正交设计，研究冷却剂入口速度、通道宽度、高度和周期对电池组最大温度、温差和冷板压降的影响。单因子分析显示：当速度从0.25 m/s增加到1 m/s时，最大温度下降9.2%，压降激增597%;宽度从4毫米增至7毫米可降低最高温度6.6%;高度从2毫米增加到5毫米时，在0.25米/秒时降低了51%的压降，所有指标都显示改善递减。河道周期对温度均匀性的影响有限（最大变化≤5%）。针对这三个指标的三因子四级正交实验，结合范围分析识别因子影响顺序，得出最优参数（W = 7 mm，H = 5 mm，N = 5），最高温度为34.06 °C，温差为7.28 °C，压降为113.93 Pa。

简介

随着新能源汽车行业的快速发展，电池热安全已成为限制技术进步的关键瓶颈。锂离子电池（LIB）因其高能量储存能力和优异的能量密度重量比而占据市场主导地位[1]，但其在损坏或使用不当时也面临过热和火灾风险等固有安全隐患[2]。为了平衡性能和寿命，LIB在25∼40°C内最佳运行[3]，但在充放电或不同环境条件下容易出现热失衡，导致使用寿命缩短、效率下降，甚至热失控。因此，通过热管理系统精确调节电池温度在最佳范围内，对于确保运行稳定性和降低安全风险至关重要。BTMS的核心目标是保持电池处于最佳工作温度范围内，同时保证单个电池组及整个电池组间温度的均匀性[4]。然而，在能耗与系统冷却效率之间取得平衡已成为技术瓶颈。因此，开发高效节能的热管理系统——既能减少能源使用又保证电池热安全——是技术突破的关键方向，进而提升电动汽车的市场竞争力。
为电动汽车电池设计的热管理技术包括风冷[5]、液冷[6,7]和相变材料（PCM）冷却[8,9]。由于液冷介质具有高比热容、结构柔韧和成本可控等特性，已成为主流解决方案。根据冷却介质与电池的接触关系，分为直接冷却和间接冷却[10]。对于通过电池浸入直接冷却，介电流体的选择基于其热性能（如高传热系数和高热稳定性）和安全特性（如高介电强度、低毒性和不易燃性）[11]。与直接冷却中对隔热和安全的严格要求相比，间接冷却系统通过物理隔离实现了散热效率与安全性的平衡，使其成为大规模应用的首选。
在国际上，热能电池集成冷却系统的研究通过流通道设计创新、冷板结构优化和算法参数调优等关键技术突破，推动了电动汽车的发展。Fan 等人[12]通过仿生鱼骨通道液冷板解决了锂离子电池中过热和温度不均匀的问题，并设计了四个结构（D1-D4），用于在6°C放电期间冷却大型棱柱电池组。对称的单进双出口结构（D2）提供更优越的冷却性能，优于传统的Z型板。正交测试优化了D2参数，提升了温度控制和均匀性，降低了压降，从而提高了电池热管理的效率。Wang等人[13]研究了冷却剂进出口配置对电池模块热性能的影响，发现将水进出替排列在冷却板单侧的配置能实现最佳冷却效率。采用代理辅助方法构建优化模型，并整合多目标遗传算法（MOGA）优化通道参数和水流速度，优化后结果显示电池模块的最大温度、平均温度和通道最大压力均有所下降。其中最大压力降低了13.28%，从而提升了系统的散热效率，同时降低了能耗。Yang等人[14]研究了一种新型液体冷却系统，采用锥形歧管通道，专门用于锂离子电池的热管理，比较矩形和锥形歧管结构及其通道通道的差异。研究结果显示，三次锥形结构在冷却性能上更优，功耗比基线降低了86.3%。延迟冷却不适合，因为它会在短时间内产生巨大温差。Xin等人[15]开发了一种混合BTMS技术，集成了液冷和风冷，利用轴向分布的导热块（HCBs）在边缘进行液冷和风冷。研究HCB数量、尺寸、流量等，优化（3个HCB，6毫米通道直径，0.002 kg/s流量，1米/秒风速）显著降低了最大温度和温差，提高了均匀性。Xu等人[16]对蛇形和U形液体冷却通道进行了电池散热比较，认定蛇形通道更优。通过自适应的替代模型集成优化蛇形通道，最大温差降低了7.49%，实现了更均匀的温度分布，并为电池液冷设计提供了指导。谢等人[17]开发并完善了液冷结构。首先，CFD模拟探讨冷却板参数——管径、间隔、厚度和排列——如何影响电池组散热。基于单因子分析结果，构建了一个四因素、三级正交阵列用于单目标优化，目标是最低最高温度。实验验证了模拟模型。为减少冷却板质量，进行了多目标优化（最小化最大温度和质量）。比较采用单目标优化的D，多目标优化的最大温度提升10.9%，冷却板质量下降82.4%。Qian等人[18]研究了基于微通道冷板的锂离子电池液冷系统，分析通道数量及冷却液流量、方向和宽度对电池组热性能的影响。结果显示，五通道冷板足以进行冷却;增加流量显著降低温度。与设计1相比，设计2降低了最大温度13.3%，温差降低了43.3%，同时实现了更好的温度均匀性。Feng等人[19]开发了用于圆柱形电池的蜂窝液冷模块，通过ANSYS建立了三维热模型并进行了实验验证。提出了一种改进的结构，采用偏转板，并研究了三维温度分布与冷却剂温度和流量的关系。结果证实了模型的正确性和结构合理性，电池组内的温度分布显著受冷却剂的温度和流量影响，需要适当的控制。Liao 等人[20]将纳米流体应用于18650锂电池的液冷BTM，确定铜水基纳米流体具有最佳的冷却效果——相比水，电池组的最大温差减少了12.6%，最大温度减少了1.066 K。分析显示纳米流体体积分数和流量增加，温差和最大温度减少，但压降增加;纳米流体温度降低显著冷却，但破坏了均匀性。Jarrett 和 Kim [21] 对蛇纹石通道冷却板进行了参数化建模和计算流体力学分析，优化了通道宽度和位置。结果显示，单一设计可以同时满足压降和平均温度的双重目标，尽管这以温度均匀性为代价。优化收敛受到初始设计的影响，多个局部最优解表现相似但几何形状不同。Deng 等人[22]评估了基于冷板的液冷电池组的冷却效率，同时考察了系统对冷却液流量、冷板数量、通道分布和冷却方向的依赖性。结果表明，1 g/s的流量非常适合散热——具体来说，3°C和5°C排放后的最高温度分别为27.67°C和32.17°C。中间更多的通道（例如设计532）能实现最佳冷却效果，合理的冷却方向有效改善了温度分布的均匀性。
现有的液冷通道设计发展出了多种典型方案并取得了显著进展：仿生鱼骨通道通过仿生优化提升了高放电率下的冷却均匀性，但由于分支结构存在局部压降;蛇形通道通过连续流路实现高效散热，但面临较大的温度梯度、对流速变化的高敏感性以及一维参数优化;锥形流形通道减少了能耗，但受限于复杂可变的截面设计、高处理成本以及大规模生产的可扩展性差。相比之下，本研究采用的蜂窝流通道具有独特的学术优势：均匀的六边形单元提供足够的热传递面积和对称的流路，以最小化停滞区和局部涡旋，提升温度均匀性;其周期性设计平衡了流阻稳定性和可加工性，使得比锥形歧管更容易大规模应用;与现有的蜂窝通道单维优化研究不同，本研究重点关注通道宽度、高度和周期的多参数耦合效应。
在这项研究中，精心设计了一个蜂窝冷却流通道，并分析了蜂窝冷板的传热性能。系统揭示了关键蜂窝通道参数对散热效率、温度均匀性和能耗的耦合定律。采用正交实验设计优化蜂窝流道的结构排列，并对每个结构因素进行范围分析，以确定蜂窝流道结构的最佳综合性能。