邱健蓄电池耦合浸没式液冷与相变材料的新能源汽车混合电池热管理系统
来源：
邱健蓄电池 发布时间：2026-03-05 10:46:05 点击： 次
摘要
为解决锂离子电池（LIBs）在高倍率放电时的散热需求与低温环境下的保温要求，本研究提出了一种融合浸没冷却与相变材料（PCM）的混合电池热管理系统（HBTMS）。通过经实验数据校准与验证的模拟模型，分析了该系统性能特征。结果表明，在高倍率放电过程中，PCM可吸收电池产生的热量，有效降低最高温度Tmax并缓解热冲击。与传统单模式浸没冷却方案Case 1相比，混合系统Cases 4和5在相同入口流量条件下实现了更低的Tmax以及更小的最大温差ΔTmax，同时具有更高的温度性能指标TP。随后，采用多目标遗传算法（MOGA）对系统运行参数与结构参数进行协同优化。优化后的配置Case 6满足将ΔT控制在设计要求范围内的条件max在低于5°C的环境下，验证实验表明当环境温度在-40°C至0°C范围内变化时，优化设计可提供约3至7小时的有效隔热性能。该特性显著提升了电池在低温环境中的运行稳定性。研究结果证明，所提出的混合系统既能适应高倍率放电工况，又满足低温隔热需求，展现出实际工程应用的强大潜力。
引言
随着环保压力逐渐加剧与尾气排放标准日益严格，传统化石燃料动力车辆正被新能源汽车(NEVs)快速取代。目前锂离子电池(LIBs)因其高能量密度和相对较低成本，成为新能源汽车主要的储能解决方案。然而LIBs大规模应用暴露出的关键限制在于：其固有物理特性将最佳工作温度范围限定在20–40°C [1]。超出该温度范围会导致性能衰退、容量衰减、使用寿命缩短及安全隐患[2]。此外，ΔTmax电池模组内部温差必须控制在5°C以内，以防止因温度不均导致的非均匀老化与性能衰减[3]。在低温环境下，电解液离子电导率的显著降低会引发内阻上升，并进一步加剧放电容量损失[4]。当前，快充技术的快速普及、电动垂直起降（eVTOL）飞行器等新兴应用场景的扩展包，以及新能源汽车日益复杂的运行环境，共同对电池热管理系统（BTMS）提出了双重功能需求：既需要满足高功率运行时的高效散热，又需实现低温条件下的有效保温。因此，开发能够同时满足这两项核心需求的高性能BTMS具有至关重要的意义。
近年来，电池冷却领域已发展出多样化的热管理技术，包括采用空气[5][6]、液体[7][8]或制冷剂[9][10]等介质的主动冷却方案，以及依赖热管[11][12]、相变材料(PCM)[13][14]或其组合[15][16]的被动策略。针对高倍率放电时电池温升过快的问题，浸没式电池热管理技术逐渐成为研究热点[17][18]。与传统方法相比，浸没式系统中冷却剂与电池表面的直接接触显著提升了高功率运行时的传热效率，同时改善了电池模组的温度均匀性[19][20]。例如，Gao等[21]开发的新型浸没系统将Tmax以及ΔTmax分别降低了23.7%与13.9%。Bao等[22]将静态与动态浸没式冷却整合为复合（CILC）方法，使Tmax降低9.48%，ΔTmax降低78.36%。此外，Liu等[23]证实其提出的静态浸没式冷却系统可将Tmax维持在40°C以下，并保持ΔTmax在3C放电过程中温度波动不超过3°C。
然而，当前关于浸没式BTMS的研究主要集中于单模式冷却，忽视了低温条件下维持电池温度的关键需求。此外，冷却剂入口与出口附近电池间的显著温差导致系统整体温度均匀性下降。更值得注意的是，部分模拟模型[24][25]中假设电池具有各向同性热导率，未能考虑高倍率放电时电池电极端的局部过热现象[26][27]。
同样地，针对低温挑战已开发出多种电池加热策略。内部加热主要依赖交流电（AC）加热[28]，但该方法在低温驻车时存在功率损耗甚至过放电风险[29]。外部加热方案包括空气加热[30]、液体加热[31]、正温度系数（PTC）器件[32]、热泵[33]以及相变材料（PCM）[34]。在这些方案中，基于PCM的加热提供了一种独特的被动机制：通过布置在电池组周围的相变材料释放潜热，缓冲环境冷却导致的温降。例如，Chen等[35]将PCM与加热板结合，在-10°C环境下使电池温度维持高于10°C达4小时。Maet al. [36]开发了一种金属有机框架(MOF)复合相变材料，在-20°C条件下将放电能量提升了7.89%。Xu等[37]设计了一种相变材料-气凝胶电池热管理系统，在典型冬季工况下可将电池温度维持在20-28°C，并具有优异的热保持性能。Cheng等[38]提出了一种适用于高温与低温环境的双层相变材料被动式电池热管理系统。这些研究证明了相变材料在隔热领域的巨大潜力。然而，当前常见应用方式是将相变材料作为独立层仅依赖被动调节，未能与主动冷却系统深度整合，导致热管理策略呈现单一模式。此外，相变材料固有的低导热特性会降低散热效率并影响系统性能，从而无法满足高倍率放电的冷却需求。
尽管浸没式冷却与相变材料在电池热管理系统中已分别得到广泛应用，但现有系统仅能在单一工况下运行，缺乏同时实现高倍率散热与低温隔热的双重能力。这种功能缺陷源于对系统耦合研究的不足。为填补这一空白，本研究提出一种深度融合两种技术的新型电池热管理系统。
所提出的混合电池热管理系统（HBTMS）以一体化设计为核心，包含铝封装相变材料模块、专门设计的导流结构及电极环形翅片。铝壳既提升了相变材料固有的低导热特性，又确保了材料稳定性；导流结构优化了冷却剂流场分布以改善温度均匀性，环形翅片则有效缓解电极局部过热现象。其核心机理依赖于浸没冷却与相变材料的协同调控，从而实现双模式运行。在高倍率放电过程中，浸没式冷却液作为主要传热介质，而相变材料（PCM）则充当辅助缓冲层以吸收多余热量并均衡模组温度。在低温工况下，系统切换至被动保温模式，通过协同利用冷却液的显热与相变材料释放的潜热，将电池温度维持在最佳工作区间内。
为严谨开发和验证这一概念，本研究采用了一种融合实验表征、高精度数值建模与多目标优化的综合方法。通过专用HBTMS测试台在关键工况（具体为1C倍率放电与-20℃隔热条件）下采集的实验数据，对数值模型进行了校准。经验证的模型实现了HBTMS与传统浸没式冷却在1C工况下性能的系统性对比。
在5C放电倍率和0.05–0.45米/秒流速条件下，采用多性向目标遗传算法（MOGA）对系统参数进行协同优化，以实现热性能与压降ΔP的平衡。针对极端5C工况，最终模拟测试表明系统在-40至0°C范围内具备被动热耐受能力，验证了其宽温域运行的可行性。
综上所述，本研究为混合浸没冷却-相变材料（PCM）热管理领域做出了核心贡献。研究提出了一种能够实现双模式深度热-流耦合的新型系统架构，阐明了主动冷却与被动缓冲之间的协同机制，并通过实验、模拟与优化相结合的方式建立了一套经过验证的设计方法学。所展示的混合系统为全工况电池热管理提供了高效解决方案。
