发布日期:
汽车锂离子电池组热管理系统设计与散热性能评估
文章字数：1921
摘要：锂离子电池组因其高能量密度、长寿命、轻量化等特点，在现代电子产品和新能源领域得到了广泛应用。本文提出一种液冷-相变材料（PCM）复合散热系统，通过多物理场耦合模型与实验验证相结合的方法，探究热管理架构设计对温度均匀性与能耗的影响规律。本研究为高能量密度电池组热管理提供了低功耗、高鲁棒性的技术路径。
关键词：汽车锂离子电池组；热管理；散热性能
随着全球对环境保护和能源可持续性的重视，电动汽车作为一种清洁交通工具，受到越来越多的关注。电动汽车的核心动力源是锂离子电池组，其在工作过程中会产生大量的热量，如果不能对其进行有效的热管理，会导致电池温度过高，影响电池性能和使用寿命，甚至引发安全隐患。研究和应用这些热管理技术，可有效控制电池组的温度，延长和提高电池的循环寿命和安全性能，从而推动电动汽车技术的进步和发展。
一、电动汽车锂离子电池组热管理概述
第一，温度监测热管理系统通过安装在电池组各个关键部位的温度传感器，实时监测电池组内部各个部分的温度变化。这些传感器可将温度数据传输给控制器，使车辆系统能够准确了解电池组的工作状态，以便及时采取必要的控制措施。第二，温度调节。当电池组的温度接近或超出安全范围时，热管理系统会根据电池组的工作状态和环境温度等因素，自动调节冷却液或加热系统的运行。通过控制冷却系统的风扇速度或加热系统的功率，热管理系统能够有效地维持电池组的温度在安全范围内，确保电池组正常运行。
二、热管理系统设计方法
针对锂离子电池组高倍率工况下的散热需求，本文提出一种多级协同热管理架构。系统采用模组化液冷板与相变材料（PCM）的复合布局，其中液冷流道基于蛇形－并联混合拓扑结构设计。通过将传统单一路径蛇形流道拆解为三层并联子流道（入口层、核心层、出口层），可实现冷却液流速的梯度分配。冷却液流量与流道参数的匹配关系通过流体力学方程量化。定义冷却液体积流量Q与流道截面积A、流速v的关系为Q=ρvA，式中ρ为冷却液密度。当放电倍率从1C增至3C时，系统通过PID算法动态调节泵机功率，使流量Q从0.12m3/h线性提升至0.35m3/h，确保散热功率与产热速率同步。相变材料的关键参数设计中，石墨烯掺杂比例对导热系数λ的影响遵循：λ复合=λPCM（1+2.7φ），其中φ为石墨烯质量分数（0≤φ≤15%）。当φ=12%时，复合材料导热系数达6.8W/(m·K)，较纯PCM提升320%，且相变潜热仅损失9.3%。
动态温控策略采用分层控制架构：底层传感器网络以7点布测模式（电芯极耳2点、中心3点、PCM界面2点）采集温度场数据，上层控制器根据温差阈值切换PID与模糊控制模式。当模组平均温度低于45℃时，PID算法以±0.5℃精度维持均温；若局部温度骤升超过5℃梯度，则激活模糊规则库，依据温度变化率与空间梯度加权值调节冷却液流速与PCM激活区域。该策略在模拟NEDC工况测试中，将液冷泵机启停频率降低64%，系统整体能耗减少21%。
三、散热性能仿真与实验验证
为验证复合散热系统的工程适用性，本研究建立多尺度仿真模型与全尺寸实验平台。数值模拟基于ANSYSFluent软件构建三维热流耦合模型，涵盖20个电芯构成的电池模组（尺寸为480mm×210mm×120mm）。模型采用非结构化网格划分，最小网格尺寸0.5mm，在电芯极耳与PCM界面区域进行局部加密。实验平台由高精度电池测试系统（ArbinBT-5HC）、冷却液循环装置（温控精度±0.2℃）及红外热成像仪（FLIRA655sc）组成。模组表面布置18组T形热电偶（精度±0.5℃），其中12组位于电芯极耳与中心区域，6组嵌入PCM-液冷板界面。充放电测试中，冷却液流量通过变频泵实现0.12~0.42m3/h连续调节，数据采集系统以1Hz频率记录温度、电压及泵机能耗。
极端工况验证中（45℃环境温度+3C放电），复合系统展现出显著优势：当放电至80%SOC时，模组最大温差为4.5℃，未出现局部热点；而纯液冷方案在相同工况下，电芯中心区域温度在600s后突破68℃，触发温控系统强制降载。进一步对比脉冲工况发现，复合系统的温度波动幅度较纯液冷降低62%，且模糊-PID切换控制使泵机平均功率从58W降至46W。热失控抑制实验中，对人为制造局部短路的电芯进行监测，PCM在120s内将短路点温度峰值限制在92℃（未使用PCM时达143℃），电解液泄漏时间延迟210s，为故障处理提供关键缓冲。
四、结束语
未来研究将向智能化与材料革新两个维度延伸。一方面，需开发基于深度学习的预测性热管理算法，利用电池历史数据与实时工况构建温度场演变模型，实现散热系统的前馈控制。另一方面，随着固态电池与800V高压平台普及，亟须研制厚度小于1mm的微通道冷却板，并探索相变材料与固态电解质的热特性匹配规律。
参考文献：
[1]蔡天鏖,沈雪阳,贺春敏,等.动力锂离子电池热行为研究与风冷散热优化设计[J].电源技术,2023,47(2):187-192.
[2]冯能莲,马瑞锦,陈龙科.锂离子动力电池新型液冷模块传热特性[J].北京工业大学学报,2018,44(11):1440-1446.
[3]刘霏霏,袁康,李骏,等.基于液冷的锂离子动力电池散热结构优化设计[J].湖南大学学报（自然科学版）,2021,48(10):48-56
作者单位：万向一二三股份公司
关键词：汽车锂离子电池组；热管理；散热性能
随着全球对环境保护和能源可持续性的重视，电动汽车作为一种清洁交通工具，受到越来越多的关注。电动汽车的核心动力源是锂离子电池组，其在工作过程中会产生大量的热量，如果不能对其进行有效的热管理，会导致电池温度过高，影响电池性能和使用寿命，甚至引发安全隐患。研究和应用这些热管理技术，可有效控制电池组的温度，延长和提高电池的循环寿命和安全性能，从而推动电动汽车技术的进步和发展。
一、电动汽车锂离子电池组热管理概述
第一，温度监测热管理系统通过安装在电池组各个关键部位的温度传感器，实时监测电池组内部各个部分的温度变化。这些传感器可将温度数据传输给控制器，使车辆系统能够准确了解电池组的工作状态，以便及时采取必要的控制措施。第二，温度调节。当电池组的温度接近或超出安全范围时，热管理系统会根据电池组的工作状态和环境温度等因素，自动调节冷却液或加热系统的运行。通过控制冷却系统的风扇速度或加热系统的功率，热管理系统能够有效地维持电池组的温度在安全范围内，确保电池组正常运行。
二、热管理系统设计方法
针对锂离子电池组高倍率工况下的散热需求，本文提出一种多级协同热管理架构。系统采用模组化液冷板与相变材料（PCM）的复合布局，其中液冷流道基于蛇形－并联混合拓扑结构设计。通过将传统单一路径蛇形流道拆解为三层并联子流道（入口层、核心层、出口层），可实现冷却液流速的梯度分配。冷却液流量与流道参数的匹配关系通过流体力学方程量化。定义冷却液体积流量Q与流道截面积A、流速v的关系为Q=ρvA，式中ρ为冷却液密度。当放电倍率从1C增至3C时，系统通过PID算法动态调节泵机功率，使流量Q从0.12m3/h线性提升至0.35m3/h，确保散热功率与产热速率同步。相变材料的关键参数设计中，石墨烯掺杂比例对导热系数λ的影响遵循：λ复合=λPCM（1+2.7φ），其中φ为石墨烯质量分数（0≤φ≤15%）。当φ=12%时，复合材料导热系数达6.8W/(m·K)，较纯PCM提升320%，且相变潜热仅损失9.3%。
动态温控策略采用分层控制架构：底层传感器网络以7点布测模式（电芯极耳2点、中心3点、PCM界面2点）采集温度场数据，上层控制器根据温差阈值切换PID与模糊控制模式。当模组平均温度低于45℃时，PID算法以±0.5℃精度维持均温；若局部温度骤升超过5℃梯度，则激活模糊规则库，依据温度变化率与空间梯度加权值调节冷却液流速与PCM激活区域。该策略在模拟NEDC工况测试中，将液冷泵机启停频率降低64%，系统整体能耗减少21%。
三、散热性能仿真与实验验证
为验证复合散热系统的工程适用性，本研究建立多尺度仿真模型与全尺寸实验平台。数值模拟基于ANSYSFluent软件构建三维热流耦合模型，涵盖20个电芯构成的电池模组（尺寸为480mm×210mm×120mm）。模型采用非结构化网格划分，最小网格尺寸0.5mm，在电芯极耳与PCM界面区域进行局部加密。实验平台由高精度电池测试系统（ArbinBT-5HC）、冷却液循环装置（温控精度±0.2℃）及红外热成像仪（FLIRA655sc）组成。模组表面布置18组T形热电偶（精度±0.5℃），其中12组位于电芯极耳与中心区域，6组嵌入PCM-液冷板界面。充放电测试中，冷却液流量通过变频泵实现0.12~0.42m3/h连续调节，数据采集系统以1Hz频率记录温度、电压及泵机能耗。
极端工况验证中（45℃环境温度+3C放电），复合系统展现出显著优势：当放电至80%SOC时，模组最大温差为4.5℃，未出现局部热点；而纯液冷方案在相同工况下，电芯中心区域温度在600s后突破68℃，触发温控系统强制降载。进一步对比脉冲工况发现，复合系统的温度波动幅度较纯液冷降低62%，且模糊-PID切换控制使泵机平均功率从58W降至46W。热失控抑制实验中，对人为制造局部短路的电芯进行监测，PCM在120s内将短路点温度峰值限制在92℃（未使用PCM时达143℃），电解液泄漏时间延迟210s，为故障处理提供关键缓冲。
四、结束语
未来研究将向智能化与材料革新两个维度延伸。一方面，需开发基于深度学习的预测性热管理算法，利用电池历史数据与实时工况构建温度场演变模型，实现散热系统的前馈控制。另一方面，随着固态电池与800V高压平台普及，亟须研制厚度小于1mm的微通道冷却板，并探索相变材料与固态电解质的热特性匹配规律。
参考文献：
[1]蔡天鏖,沈雪阳,贺春敏,等.动力锂离子电池热行为研究与风冷散热优化设计[J].电源技术,2023,47(2):187-192.
[2]冯能莲,马瑞锦,陈龙科.锂离子动力电池新型液冷模块传热特性[J].北京工业大学学报,2018,44(11):1440-1446.
[3]刘霏霏,袁康,李骏,等.基于液冷的锂离子动力电池散热结构优化设计[J].湖南大学学报（自然科学版）,2021,48(10):48-56
作者单位：万向一二三股份公司