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NEC锂电池提升锂离子电池组温度均匀性：基于冷却剂分配流道的浸没式冷却系统数值研究
发布时间：2026-04-18 10:55:59 点击： 次
锂离子电池可靠高效运行对电动汽车至关重要。电池组内部温度不均会影响其容量、寿命及安全运行。当前电池热管理系统中，温度分布通常呈现入口侧温度较低、出口侧温度较高的特征。为此，本文针对70个圆柱形4680电池采用单相浸没式电池热管理系统，并提出一种新型分配歧管结构。通过将冷却液导向电池组后方，该设计提升了冷却液与后端电芯之间的热交换效率，从而改善了电池组的温度均匀性。研究结果表明，相较于原始模型，方案二将最高温度降至40.86°C（降幅达9.64%），最大温差降至6.97°C（降幅达59.82%），其代价是泵功增加了12.21%。此外，本文通过数值模拟研究了开孔方向、开孔位置等关键影响因素。在冷却液入口流速为0.2米/秒的条件下，案例三以泵功增加15.7%的代价，实现了将电池组最大温差控制在5°C以内的目标。同时，在0.25米/秒的工况下，案例三展现出最优性能。所提出的液体分配歧管设计不仅优化了冷却剂流动路径，还显著提升了电池组的温度控制能力，为改善电池系统整体性能与可靠性提供了实用解决方案。
图文摘要
引言
目前，常见的电池热管理系统（BTMS）可分为空气冷却[13][14]、液体冷却[15][16]以及相变材料（PCM）冷却[17]三类。空气冷却系统是最早应用于电池的BTMS，具有结构简单、成本低廉和维护便捷的特点[18]。然而，由于空气的导热系数与比热容较低，其冷却效率相对有限，因此在高功率密度场景中的应用受到制约。相变材料冷却通过材料相变潜热吸收电池热量，兼具优异的冷却性能与紧凑的空间结构。但在高功率密度应用中，相变材料的体积会显著制约散热能力[19]。此外，由于相变材料无法自主向环境散热，常需与空气冷却或液体冷却等其他方式耦合使用，这种设计会加剧系统复杂性、提高设计难度并增加成本[20]。作为一种冷却方式，液冷利用液体作为传热介质，其任务是吸收并传递电池在工作过程中产生的热量。与空气相比，液体具有更高的比热容和导热系数，这使其具备更高的冷却效率，因而得到广泛应用[21]。
根据冷却液是否直接接触电池，液冷可分为直接液冷[22]和间接液冷。间接液冷通常采用冷板[23][24][25]对电池进行冷却以获得更佳性能，但传热路径中的多重热阻与温度梯度可能在高冷却需求下降低散热效率[26]。相比之下，直接液冷（浸没式冷却）采用非导电介电流体与电池直接接触，可显著提升温度均匀性与冷却性能。此外，根据冷却液在吸放热过程中是否发生相变，液冷又可分为单相与两相液冷。两相液体冷却通过利用冷却剂相变过程中吸收大量热量的特性实现电池温度管理[27][28][29][30]，而单相液体冷却则依靠冷却剂的高比热容和高导热系数，通过吸收热量来降低电池温度。
与两相热管理技术相比，单相浸没式热管理技术凭借无相变的高安全性、降低系统复杂性和成本的简化结构，以及与电池设计的良好兼容性，在保障电池稳定运行和降低应用门槛方面具有显著优势。针对单相浸没式热管理，当前研究主要集中在三个方向：不同冷却剂类型的性能对比、进出口位置与数量的优化研究，以及电池舱内部结构的设计改进。在冷却剂类型研究中，Jithin等[31]通过模拟手段比较了去离子水、矿物油与特殊工程液体在电池浸没冷却中的表现。结果表明，去离子水在电池高倍率充放电过程中导致的温升最低，而低粘度工程液的冷却效果与矿物油相近，但功耗降低了76.4%。Basavaraja等[32]对三种浸没式冷却液进行了模拟比较，指出Easter MiVolt-DF7冷却液比氟化液具有更优的温控性能，在高倍率放电工况下可使电池温度降低12.02%。此外，学者们还对冷却液进出口的位置与数量配置开展了研究。陈等[33]设计并实验了一种多管式小型电池组，研究表明进出口管道对角分布更有利于电池温度控制。石等[34]提出了一种新型冷却剂流量分配方法，通过在电池组顶部增设用于射流形成的分流装置，主动分配流量并强制冷却剂在组内均匀流动，显著提升了温度均匀性。任等[35]通过改变进出口数量对电池组进行研究，发现采用双进口单出口和双进口双出口布局能实现更均匀的电池温度分布。此外，学者们还对电池组内部结构进行了设计与改进。黄等[36]提出采用带翅片结构的热管强化浸没式冷却剂的效果，使中小型电池在自然对流条件下能满足3C充放电的温控要求。钟等[37]设计了一种带导流板的浸没式冷却结构，并通过实验测试了其在1-5C放电倍率下的温控效果，结果表明该浸没式冷却结构能使电池包在高速率放电条件下维持温度低于50°C。此外，浸没冷却技术已在电动汽车领域获得应用[38]。Luo等[39]开发出集成浸没式预热与冷却功能的全气候电池热管理系统，通过参数优化满足了电动汽车跨气候带的热管理需求。Wu等[40]研究了一个60电芯21,700电池组在2C放电条件下的表现，证实浸没冷却技术兼具高效散热与热失控抑制功能。Wahab等[41]采用伪三维电化学-热耦合模型评估了四种冷却方案（自然对流、强制风冷、静态浸没冷却与强制浸没冷却）在8C峰值放电倍率下的散热性能。通过结构与流场优化，其将电池组最高温度从330.71K降至306。41K，并在8C放电过程中将温度均匀性提升47.7%。
综上所述，对于单相浸没式电池热管理系统（BTMS），在单进单出对向布置条件下，电池组呈现"中间低、两侧高"的温度分布特征，其中入口侧温度较低而出口侧温度较高[42]。通过增加进出口数量[43]和改变进出口位置[33]，可有效改变冷却剂的流动状态，从而提升BTMS的温度控制能力。然而，该方法会加剧冷却剂泄漏风险，同时增加系统成本与复杂度。为此，本研究创新性地提出以单入口多出口分配流道作为系统核心部件。该分配流道基于流体动力学原理设计，可根据电池包不同区域的温度分布特征，将低温冷却剂精准导流至电池包中后部区域。当冷却剂流经电池包中后部区域时，通过强制对流与热传导机制快速吸收该区域电池热量，从而有效降低电池包最高温度。此外，本研究还探究了分配流道的开孔位置、开孔方向及冷却剂入口流速等参数对电池热管理系统的影响。本研究提出的分配流道设计不仅优化了电池包内部的冷却剂流场，还显著提升了BTMS的温度控制能力。该设计确保电池包在充放电过程中始终处于最佳工作温度区间，为提升电池系统整体性能与可靠性提供了实用解决方案。
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