高容量锂离子电池快速充电下的混合液冷-PCM热管理：参数化对比研究与优化设计

为解决高容量锂离子电池在快充过程中的热失控风险，研究人员开展混合液冷-相变材料(PCM)热管理系统(BTMS)研究。通过COMSOL Multiphysics模拟8-cell 105Ah LiFePO4电池组，优化波浪管液冷与石墨增强PCM的协同方案。结果显示混合系统在3C充电下实现36.7°C峰值温度与1.0°C温差，为电动汽车热管理提供创新解决方案。

　　

随着电动汽车的快速发展，高容量锂离子电池在快速充电时产生的热量成为制约其性能和安全的关键瓶颈。当充电速率提升至3C时，电池内部温度可能超过40°C的安全阈值，导致热失控风险加剧。更棘手的是，电池组内部5°C以上的温度差异会显著缩短电池寿命。传统风冷系统已无法满足需求，而单一液冷或相变材料方案各自存在温差控制不足或持续散热能力有限的缺陷。

针对这一技术难题，黎巴嫩Al Maaref University基础与应用科学研究中心的研究团队在《Results in Engineering》发表创新研究。通过建立三维数值模型，系统比较了相变材料(PCM)、间接液冷及混合系统的热管理性能。研究采用COMSOL Multiphysics软件模拟8-cell 105Ah LiFePO₄棱柱形电池组，重点分析了电池排列方式(8×1 vs 4×2)、管道构型(垂直/水平/波浪形)、流动状态(层流/湍流)以及石墨增强型石蜡厚度等关键参数。

在材料与方法部分，研究团队运用了多项核心技术：1)基于有效热容法的PCM相变模拟，处理固液相变过程中的潜热吸收；2)k-ω湍流模型精确计算液冷系统的复杂流动；3)多物理场耦合分析整合了电化学产热与传热过程；4)参数化研究设计覆盖从层流(Re=560)到湍流(Re=11,200)的流动状态；5)采用Eve 105Ah商用电池的真实物性参数进行建模。

在"冷板优化"部分，研究发现4×2电池排列比8×1布局降低3°C峰值温度。波浪形三入口管道设计在0.75m/s流速下表现最优，使3C充电时的最高温度控制在36.8°C，温差1.8°C。值得注意的是，增加管道数量超过4道时，冷却效果提升趋于平缓，表明存在最佳设计平衡点。

关于"相变材料"的研究显示，18.4mm厚石墨增强石蜡能有效维持温度在PCM熔点附近(38-42°C)，但单独使用时3C充电末期温度仍会升至42°C。其优势在于温差仅1.4°C，显著优于液冷系统。

关键的"混合系统"创新设计结合了两者优势：波浪管液冷负责快速散热降低峰值温度，而周边包裹的PCM层(厚度减半至18.4mm)则确保温度均匀性。这种协同作用使3C充电时的性能指标全面提升——峰值温度36.7°C，温差1.0°C，且PCM熔化率控制在36%，大幅延长了系统持续工作能力。成本分析显示，混合系统仅比纯液冷方案增重3.9kg，成本增加15%，却获得了显著的热安全性提升。

在环境适应性测试中，混合系统在40°C高温环境下仍能将电池温度控制在41.2°C，温差1.5°C，展现出良好的鲁棒性。与文献报道的同类系统相比，该设计在保持紧凑结构的同时，对高容量棱柱形电池的适用性更具创新价值。

这项研究通过系统的参数化对比，为高容量锂离子电池热管理提供了经优化的混合解决方案。其创新点在于：1)首次对105Ah大容量棱柱电池进行液冷-PCM混合系统的全面参数研究；2)提出波浪形多入口管道设计增强湍流换热；3)量化了不同冷却策略在温度控制、质量及成本方面的权衡关系。研究成果对推动电动汽车快充技术发展具有重要意义，特别是为高能量密度电池系统的热安全设计提供了新思路。未来研究可进一步探索金属泡沫增强型PCM或纳米流体冷却剂的协同应用潜力。