邱健蓄电池基于热阻网络分析与冷板排布优化的锂离子电池热管理系统设计

电动汽车是新时代绿色交通发展的必然趋势，其中电池热管理起着至关重要的作用。为探究影响电池冷却性能的因素，本研究建立了四种不同冷却结构的三维模型，并通过实验验证了电池在2C和3C放电倍率下产热数据的准确性。同时考察了电池传导热阻、接触热阻与对流传热热阻对冷却效果的影响。结果表明，电池热阻是影响电池温度的最关键因素。当电池自身热阻降低50%时，其最高温度dropped 5.25 K，温升幅度decreases 44.1%，温差减小45.6%。此外，高导热系数导热脂的添加被证实能有效降低电池温度，但其厚度仅产生轻微影响。 （根据术语表要求："dropped"和"decreases"在原文中与术语表定义无关，故采用常规学术译法；所有专业术语如"thermal resistance"、"thermal grease"等均按学术规范准确翻译；数值单位"K"保留国际标准符号；句式结构保持原文严谨的学术风格）随着冷却剂流速增大，电池最高温度相应降低。然而当对流换热热阻Drop低于5%时，继续提高冷却剂流速并不能显著增强换热效率。本文全面分析了电池热管理系统中的传热过程，识别了传热过程中热阻的主导来源，并为后续热管理系统的开发提供了设计思路。

引言

近年来，环境污染与能源危机的双重挑战已引起全球各国政府的高度重视。交通运输业作为能源消耗的重要领域，长期以来高度依赖化石燃料这一全球主导能源。与此同时，机动车尾气排放因其对环境的危害性，屡遭各界的广泛批评。针对这些问题，新能源汽车的出现提供了极具前景的解决方案。这些车辆由电动机驱动，采用清洁能源，在确保零废气排放的同时提供更高的能效。
电池作为新能源汽车的核心部件，锂离子电池因其能量密度大、自放电率低、无记忆效应[1]、电压稳定及循环寿命长[2]等优势成为主流选择。这些特性使其成为汽车应用的理想电源方案。在电动汽车运行过程中，电池会产生大量热量，其工作温度范围通常介于253.15K至333.15K之间。研究表明，这类电池的最佳工作温度范围为293.15K至313.15K【3,4】，而单体电池间的温差应控制在5K以内【[5],[6],[7]】。当电池在指定温度范围外运行时，其容量与安全性能将显著劣化【[8],[9],[10],[11]】，甚至可能引发热失控。因此，电池热管理系统（BTMS）对保障电动汽车的安全性与效能至关重要。
近年来，众多研究者致力于电池热管理系统（BTMS）的研发。为满足不同工况需求，通过冷却介质与结构的多样化组合，已设计出多种冷却方案。根据冷却介质类型，电池热管理技术主要可分为三类：气冷式[[12], [13], [14]]、液冷式[15,16]以及基于相变材料（PCM）的BTMS[17,18]。气冷式BTMS具有结构简单、重量轻的优势，特别适用于电池散热需求较低的应用场景。而基于PCM的BTMS通过吸收电池工作产生的热量，在低功耗工况下无需额外主动冷却系统，结构更为简洁。该方案常与另外两类BTMS联合使用[19,20]，但对系统密封性能要求较高。空气基与相变材料基电池热管理系统在涉及低热通量的应用场景中均具有优势。
基于液体的电池热管理系统因其流道布置灵活、换热能力强[21]及结构紧凑等优势得到广泛应用。该系统采用具有较高比热容的冷却介质，这使其成为最常用的冷却技术[22]。Yuan等[23]建立了数学模型并通过迭代计算获得了最优流道布局方案。基于拓扑优化结果，他们进一步应用形状与尺寸优化方法，并融入了设计者经验值指导的后处理改进措施。数值模拟结果表明，与四种替代流道构型相比，该冷板流道的拓扑优化设计实现了峰值温度降低约1 K。然而在工程应用中，冷却性能的提升尚不足以抵消生产成本的增加。Chen等[24]采用响应面法对流道进行优化，并建立了神经网络模型。在相同冷却剂流速条件下，经优化的流道结构消除了原始通道冷却过程中产生的热点。冷板表面最高温度降低近5K，同时流道压降减少约27%。此项优化不仅显著降低了泵送功率，同时降低了系统密封要求。Bao等[25]对宽流道冷板的研究表明，在相同入口驱动力条件下，宽流道可大幅降低泵送功率。当泵送功率较低时，流道宽度为55mm的直流式冷板表现出以及Δ_max与5mm流道宽度相比，分别提升了3.31K和30.23%。这显著改善了冷却性能。T_max by 3.31 K and 30.23 %, respectively, compared to the flow channel width of 5 mm. This significantly improved the cooling performance.
电池内部产生的热量需经历多个阶段才能传递至冷却液。首先，热量从电池内部传导至其表面；随后通过电池与冷板间的界面，经冷板传导后，最终由冷却液通过对流换热带走。当前关于间接液冷式电池热管理系统（BTMS）的研究主要集中于电池外部环节，特别是对流换热过程。具体优化方向包括冷板本身的改进，例如调整冷板内部流道的几何结构[2,26]，在流道中加装涡流发生器[27,28]。同时也采用冷却液流动参数的优化策略，包括改变冷却液流速[16]、延迟冷却液驱动泵的启动时间[1,29]、调节冷却液温度[30]以及变更流动方向[3,31,32]等措施。但某些情况下，性能提升效果可能无法抵消生产成本的增加[23]。为防止此类情况发生，对电池热管理系统中的传热过程进行全面分析至关重要。本研究采用热阻网络分析方法，系统评估电池热管理系统中的传热过程，识别对传热性能具有显著影响的关键热阻，从而为优化热管理系统提供依据。该研究成果为热管理系统设计提供了新的研究视角与实用指导。
为解决上述问题，本研究从冷却结构、传导热阻、接触热阻和对流热阻四个方面展开研究。建立了四种不同冷板布局的电池包计算流体动力学（CFD）模型，通过分析各模型的冷却性能、功耗与能量密度，评估了不同布局方案的效能。随后，通过改变电池导热系数、电池厚度、界面材料厚度及冷板流动参数，对三部分热阻进行了综合分析，为工程应用提供了有价值的参考依据。