4680圆柱电池热管理优化：基于无极耳设计与冷却策略协同创新的性能提升研究

推荐：本研究针对大直径圆柱电池(4680)在快充工况下因表面积体积比降低导致的热梯度加剧问题，通过实验与仿真结合的方法，系统评估了无极耳(tabless)设计与钢/铝壳体对底部冷却(BC)和侧面冷却(SC)性能的影响。结果表明：SC方案在现有设计中表现最优，而BC需优化极耳导热或采用铝壳体；全浸没冷却(MC)可进一步提升性能。该研究为下一代动力电池热管理设计提供了关键数据支撑。

　　

随着电动汽车对续航里程和快充能力需求的提升，大直径圆柱电池成为行业新趋势。特斯拉推出的4680电池（直径46mm，高度80mm）因其高能量密度备受关注，但其较小的表面积体积比导致热管理挑战加剧——快充时内部热梯度可能引发局部过热，加速电池老化甚至引发安全隐患。目前业界对46mm直径电池的最佳冷却方案仍存争议，特别是无极耳(tabless)设计与不同冷却策略的协同效应缺乏实验验证。

针对这一技术空白，研究人员在《Journal of Energy Storage》发表研究，首次对特斯拉4680 Gen2电池进行热性能实测，结合三维计算流体力学(3D-CFD)模型，系统评估了底部冷却(BC)、侧面冷却(SC)和全浸没冷却(MC)的效能。研究聚焦两大核心问题：无极耳设计如何影响不同冷却方案的热传递路径？壳体材料（钢/铝）的热导率对温度分布有何影响？

研究采用特斯拉Cybertruck搭载的第二代4680电池（24.1Ah）作为基准，通过定制化热测试平台实现精确温控。关键技术包括：1）基于Peltier元件的自适应冷却系统模拟BC/SC工况；2）多位置温度传感器网络捕捉三维热分布；3）Bernardi方程计算热生成率；4）Ansys Fluent构建的3D-CFD模型，通过16层同心圆柱壳简化卷芯结构，并考虑各向异性导热特性。

实验结果揭示颠覆性发现
在44A交变电流测试中，SC方案将电池表面最高温度控制在39.8°C，较BC降低26.8°C。温度分布不对称性表明：单侧电气接触产生的接触电阻（0.8mΩ时产生1.6W热损耗）对热场影响不可忽视。

仿真模型验证关键参数
校准后的模型显示，Gen2无极耳设计将阳极极耳热阻降至4.0 K W^-1，较Gen1的9.6 K W^-1改善58%。铝壳体（导热系数180 W m^-1 K^-1）使BC方案平均温度再降7.5°C，证明材料优化可弥补极耳传导瓶颈。

冷却策略性能排序
在2.5C(55A)快充场景下：MC方案以7.8°C温升和7.8°C梯度表现最优；SC+铝壳体组合温差为14.3°C；而传统BC方案即使采用优化极耳（1.0 K W^-1）仍存在21°C梯度，凸显冷却面积的关键作用。

工程实践启示
研究提出分级优化策略：对于SC主导方案，优先降低接触电阻（激光焊接至0.25mΩ以下）；若采用BC则必须同步改进极耳导热（如增加焊点）和采用铝壳体。值得注意的是，电气连接设计对BC影响更显著——单侧连接时，0.8mΩ接触电阻即可导致终端温度超120°C，这对电池包集成设计具有警示意义。

该研究首次通过实验数据验证了4680电池的热管理设计准则，其建立的参数化模型可支持不同尺寸圆柱电池的快速评估。未来研究可延伸至瞬态工况模拟和热梯度对硅基负极老化的影响机制探索，为高镍体系快充安全边界划定提供理论基础。