面向多环境温度的锂离子电池可配置模块化热管理系统研究与优化

为解决锂离子电池在极端温度下性能衰减和寿命缩短的问题，研究人员开发了一种集成主动和被动热管理模块的可配置模块化热管理系统。通过开发相变温度40.1°C的生物基相变材料(PCM)和建立电池热模型，优化了PCM几何参数和主动冷却参数。结果表明，该系统能根据不同城市气候特点实现定制化配置：高温城市需增加主动冷却模块，在42°C环境温度下将电池组温度控制在45°C以下；温带城市可最大化被动模块应用，在38°C环境温度下实现零能耗控温；低温城市采用加热板替代方案可节能10%。该研究为多场景电池热管理提供了直接可选的解决方案。

　　

随着电动汽车和大型储能系统的普及，锂离子电池的热管理问题日益凸显。在低温环境下，电池容量会急剧下降，-20°C时可用容量仅为常温的20%-40%；而高温环境更会加速电池老化，45°C时循环寿命降至常温的40%。更严峻的是，电池组内部温差必须控制在5°C以内以确保一致性。这些严苛的热约束使得高效可靠的电池热管理系统(BTMS)成为关键技术瓶颈。

现有BTMS主要分为主动式和被动式两类。主动系统依赖外部能量驱动工质循环，包括风冷、液冷和热电冷却等方式；被动系统则利用相变材料(PCM)的潜热吸收实现温控。虽然混合式系统结合了两者优势，但多数设计存在高度集成、难以适配多场景的缺陷。更关键的是，当前优化研究多针对单一环境温度，当应用于实际多变气候条件时往往需要重新设计。

针对这些问题，Xiaoyong Gu等人在《Results in Engineering》发表研究，提出了一种创新的可配置模块化热管理系统。该系统通过自由组合主动和被动模块，实现了对不同环境温度的适应性调控。

研究主要采用了几项关键技术：1）开发了月桂酸(LA)和肉豆蔻酸(MA)组成的生物基PCM，通过差示扫描量热法测定其热物性；2）建立了包含10个串联电池的电池组模型，采用流体-结构耦合方法模拟热交互；3）通过人工神经网络(ANN)和多重回归(MR)混合模型预测电池温度；4）应用灰狼优化算法(GWO)进行参数优化；5）在-27°C至46.8°C的温度范围内测试了九大城市的适用性。

在"物理模型"部分，研究选用了磷酸铁锂(LiFePO₄)电池，其额定容量20Ah，尺寸为70×27×130mm。被动模块采用铜制外壳填充PCM，主动模块设计有圆形流道。特别值得注意的是，研究人员创新性地采用椰子油和棕榈仁油衍生的LA-MA(1:1)作为PCM，其相变温度40.1°C，密度878.5kg/m³，潜热134kJ/kg，完美适配电池工作温度区间。

"数值模型"部分建立了包含动量方程、能量方程和连续性方程的耦合模型。采用Realizable k-ε模型处理湍流，通过焓法模拟PCM相变过程。网格独立性验证表明，当网格数达到260万时结果趋于稳定，最终选用349万网格以保证精度。

"实验结果"部分通过搭建实验平台验证了模型的可靠性。在2.5C放电条件下，模拟与实测数据的最大绝对误差小于1°C，平均误差低于0.5°C。特别设计的绝缘环境消除了外界干扰，确保了数据准确性。

研究获得了多项重要发现：在"外壳材料影响"方面，铜制外壳展现出最佳性能，比钢壳降温效果提升0.95°C，加热时间缩短40%。在"被动模块优化"中发现，增加PCM高度比增加宽度更有效——每克PCM材料，高度增加可带来0.088°C的降温效果，而宽度增加仅0.07°C。这是因为高度增加不会延长传热路径，而宽度增加会使外围PCM远离壳体，降低热交换效率。

"主动模块影响"研究显示，流道数量和布局对冷却效果至关重要。7流道设计比5流道降温效果提升0.25°C，而优化流道分布可使温差降低0.03°C。在加热方面，将工质温度从35°C升至45°C可缩短45%加热时间，但能耗增加49%。

在城市适用性评估中，研究团队发现：伦敦等温带城市仅需1.2kg PCM即可实现控温；而上海等高温城市需要3.5kg PCM并配合主动冷却。特别值得注意的是，在开罗等极端高温城市，即使优化后仍需将放电倍率限制在1.5C；而新德里由于环境温度可能超过45°C，必须配备主动制冷系统。

研究最后提出了两种创新配置方案：BTMS1适合温带城市，在38°C环境温度下可纯被动控温；BTMS2专为高温城市设计，在42°C环境下仍能将电池温度控制在44°C。更巧妙的是，对低温城市可采用加热板替代方案，相比传统主动模块可节能10%。

这项研究的创新价值在于：首次建立了基于生物基PCM的可配置模块化热管理系统，通过智能组合策略实现了从-27°C到46.8°C的全气候覆盖。研究不仅提供了具体的设计参数和优化方法，更重要的是建立了根据不同气候特点快速配置系统的科学范式，为电动汽车和储能设备的热管理提供了标准化解决方案。特别是系统采用的农业源PCM材料，在实现高效温控的同时还兼顾了环保可持续性，具有重要的工程应用价值。