《Journal of Energy Storage》：Bio-inspired approaches in battery thermal management of electric vehicles: A critical review of feasibility and challenges
电池热管理系统（BTMS）是电动汽车（EV）的核心组件之一，设计优良的BTMS可有效调控电池温度、提升电池健康状态、减缓性能衰减并增强热安全性。为提升效率，多种先进技术已被应用于BTMS。仿生设计通过借鉴生物系统的结构与原理并将其转化至工程应用，近年来受到广泛关注，相关设计多从自然中汲取灵感。尽管仿生BTMS组件在传热性能方面表现优异，但此类结构设计需特别关注制造可行性、成本、系统重量、维护便捷性及安全特性。本综述基于现实约束，对仿生BTMS的可行性与挑战展开批判性研究。研究按生物灵感来源分类，涵盖植物、昆虫、鸟类、水生生物、人体及其他自然物理现象。结果表明，在各类仿生方法中，植物启发设计在BTMS研究中占比最高，尤以模拟植物维管结构的方案为主。尽管仿生BTMS研究数量持续增长，现有文献多依赖高保真仿真，因此研究人员建议开展更多基于原型组件的实验研究。此外，拓扑优化不仅可提升传热效率、降低冷却液流动阻力，还能简化冷却板几何结构、改善可制造性，展现出较强应用潜力。本综述强调，仿生设计为BTMS创新提供了有力框架，但其应用需将生物灵感与自然原理及热工性能建立严谨且实质性的关联。
1. 引言
仿生设计已成为研究自然系统与现象的重要途径，通过揭示其基础原理、借鉴环境机制，将相关概念转化为医学、科学与工程领域的实用解决方案。随着全球汽车产业从内燃机向电动汽车转型，以实现可持续交通并降低化石燃料依赖，仿生学为突破传热领域关键技术瓶颈提供了重要思路。在电动汽车领域，相关原理可应用于电池热管理系统，通过自然启发的设计提升锂离子电池的热性能与温度均匀性。本文对bio-inspired、biomimetic、biomimicry与bionic等术语进行明确界定：仿生设计作为广义工程方法类别，涵盖从生物系统、有机体或自然现象中汲取灵感的所有途径；仿生设计特指将生物功能、机制或输运原理有目的地迁移至工程应用以实现特定性能目标的方法；仿生学则是更宽泛的设计哲学，强调以自然为模型、导师与标尺，注重可持续性与系统长期性能。文献中案例涵盖从简单几何启发到生物功能与原理的工程转化，因此本文按各术语定义分别使用。bionic因文献中使用不规范且与仿生、仿生设计概念重叠，不作为独立分类使用。
当前锂离子电池热管理的主流策略包括空气冷却、液体冷却、翅片冷却、相变材料（PCM）冷却、热管冷却及其他混合方法。各类方法的核心目标是将电池温度维持在安全区间，典型范围为放电过程?20 °C至55 °C，充电过程0 °C至45 °C。温度过低或过高均会损害电池性能，导致容量加速衰减甚至引发单体热失控，因此保障乘员安全是BTMS设计的首要优先级。为应对上述挑战，研究人员提出大量新型设计，或优化现有冷却方法，或结合多种策略提升系统效率，部分研究通过引入纳米颗粒、金属泡沫等先进材料进一步改善不同工况下的传热与温度均匀性。混合方法虽能显著提升热性能与温度分布，但也伴随系统重量增加、流体循环功耗上升及生产成本提高等问题，这些因素仍是汽车制造商的核心考量。
随着三维打印技术的发展，近期研究提出多种仿生设计，将自然的效率、自适应特性与优化结构整合至电动汽车BTMS开发中，灵感来源涵盖植物、动物乃至人体。此类仿生BTMS在电动汽车实际应用中潜力显著，但仍面临规模化生产、电池包维护、制造成本与可行性等挑战。现有关于电动汽车BTMS仿生方法的综述较少，且多未对其可行性与现实挑战进行批判性评估。部分综述对比了自然启发的仿生结构与传统BTMS设计，讨论了方法耦合的潜在优势；部分研究聚焦仿生蜂窝结构在提升电池包耐撞性中的作用；另有综述关注仿生方法的材料层面特征，探讨人工智能与机器学习对材料热管理性能的优化作用。但现有研究普遍缺乏对工业可行性的深入探讨。本综述批判性评估仿生BTMS概念在电动汽车应用中的可行性与挑战，通过剖析潜在优势与实际局限，为未来BTMS发展提供指导，推动自然启发原理在现实汽车系统中的合理应用。
本综述采用批判性综述而非系统性或综合性综述范式，核心目标是评估仿生BTMS设计的制造可行性与现实适用性。文献检索以ScienceDirect为主，辅以Springer Nature Link、ASME Digital Collection、Wiley Online Library与MDPI等数据库以确保出版范围覆盖。检索词组合包括“bio-inspired battery thermal management system”“biomimetic approaches in battery thermal management”“bionic battery thermal management”，同时针对第3节涉及的生物灵感类别（植物、昆虫、鸟类、水生生物、人体及其他自然现象）开展定向检索，例如补充检索哺乳动物皮肤启发设计相关文献，纳入ACS期刊发表的相关研究。纳入标准为：研究明确将仿生或仿生概念应用于BTMS组件（如冷却流道、翅片、冷板或PCM结构），且发表于同行评审英文期刊。鉴于综述的批判性与评估属性，重点选取各类生物灵感中的代表性、高影响力研究，而非穷尽检索所有相关文献。
本文结构如下：第1节介绍BTMS背景，阐明综述目标与研究动机；第2节探讨BTMS的重要性、现有电芯温度控制技术及电动汽车BTMS的实际应用洞察；第3节按生物灵感来源分类讨论BTMS中的仿生方法，分析仿生设计采用的优化方法并对各类仿生BTMS进行对比；第4节批判性评估仿生BTMS组件在现实电动汽车应用中的可行性与挑战；第5节通过识别文献研究缺口，提出面向实用化仿生BTMS的未来研究方向；第6节总结本批判性综述的核心结论。
2. 电动汽车电池热管理系统
与现有侧重冷却技术优势与分类的BTMS综述不同，本节聚焦锂离子电池的运行基础、热产生机理及其在现实电池系统中的实际影响，突出高效BTMS对电芯温度控制的重要性，为后续评估仿生方法的自然适配性与BTMS适用性奠定基础。
2.1. BTMS的重要性
英国电动汽车发展可追溯至19世纪70年代，Robert Davidson的电动汽车原型及Ayrton与Perry的三轮车验证了电力驱动交通的可行性。至19世纪80年代中期，Thomas Parker与Magnus Volk等创新者通过可充电电池与更实用的设计，推动了英国电动汽车的初步普及。当前全球电动汽车销量增长迅速，2024年达1700万辆，预计2030年将达2100万至2800万辆。消费者对电动汽车的关注集中于四个核心因素：纯电续航里程、成本、安全性与公共充电设施 availability。纯电续航里程指单次满电的最大行驶距离，当前平均水平约450 km（±52 km），覆盖300 km至600 km区间，较十年前因电池技术进步显著提升。研究显示私人电动汽车日均行驶里程低于100 km，因此多数车型续航可满足城市驾驶需求。成本受车型尺寸、电池包与制造商影响，政府税收减免与购车补贴可缓解该问题。
公共充电基础设施不足是另一障碍，2024年底全球公共充电桩超500万个，当年新增超130万个，年增长率超30%，但家庭充电仍是主流方式。快充技术可将充满电时间缩短至约30分钟，但会加速电芯容量衰减，因此需高效BTMS降低快充带来的容量损失。安全性是核心关切，热失控引发的火灾或爆炸、事故风险等威胁乘员安全，热滥用、电滥用、机械滥用、高电芯温度与内部缺陷等因素可诱发内短路或放热反应，最终导致热失控。高效BTMS可缓解上述诱因，提升整体安全性。研究显示电池容量与纯电续航里程呈线性相关，因此高容量电池与高效BTMS结合不仅可延长续航、增强安全性、缓解里程焦虑，还能支持快充安全应用、缩短充电等待时间，其性能直接决定电动汽车的可靠性、安全性与商业化成功。高效BTMS是实现电动汽车电池系统可靠、安全、高性能运行的核心。
2.2. 锂离子电池运行基础
锂离子电池由阳极、阴极、电解质与隔膜四大核心组件构成。阳极（负极）通常采用碳基材料，如石墨、硅基复合材料或掺杂碳材料，其中石墨因层状结构强度高、导电性与电子迁移率优异而应用最广。阴极（正极）由锂过渡金属氧化物构成，包括层状钴酸锂（LiCoO2）、橄榄石型磷酸铁锂（LiFePO4）、尖晶石型锰酸锂（LiMn2O4）及镍锰钴（NMC）层状氧化物（LiNixMnyCozO2），NMC组分覆盖NMC111至富镍NMC622、NMC811等区间。镍含量提升可增强比容量，但会降低热稳定性，体现了能量密度、安全性与成本之间的固有权衡。
锂离子电池运行基于可逆电化学氧化还原反应，涉及锂离子在电解质中的输运与电子在外电路的迁移。充电过程中，外部电源施加电势驱动正极氧化与负极还原：正极发生脱嵌反应，锂离子释放至电解质，电子进入外电路；电子输运至负极，锂离子经电解质与隔膜迁移至负极，在负极嵌入宿主材料（通常为石墨）并完成储能。放电过程反应逆向进行：负极发生氧化，嵌入的锂离子脱嵌进入电解质，电子进入外电路；锂离子经电解质迁移回正极，电子通过外电路向负载输出电能；正极处锂离子被还原并重新嵌入正极结构，完成电化学循环。
2.3. 电池热管理不同技术
电动汽车BTMS技术主要分为被动冷却、主动冷却与混合冷却三类。被动冷却无需外部能源，利用热管、PCM等方法调控锂离子电池温度；主动冷却需消耗外部能量，典型如空气冷却与液体冷却；混合冷却结合被动与主动方法，近年受到研究人员与工程师广泛关注，可整合两类方法的优势并规避各自局限，提升整体热管理性能。尽管混合BTMS可在多样工况下有效控制锂离子电池温度，但其实际应用仍需权衡成本、重量、维护与安全性等因素。例如需优化系统重量以平衡热性能与车辆效率，PCM基BTMS的重量优化需在维持电池温度于目标区间的前提下开展。混合系统因整合被动与主动方法，需配备外部动力装置，可能增加系统复杂度与能耗。尽管混合系统在温度调控与安全性提升方面优势显著，其可行性与可扩展性仍是核心关切，汽车制造商日益倾向于开发更简洁、低成本的BTMS设计。
2.4. 现实应用洞察
文献中提出了大量电动汽车BTMS策略，但核心问题在于这些先进方法是否被主流制造商应用于量产车型。2026年市场在售电动汽车的BTMS应用情况显示，制造商仅采用空气冷却与液体冷却两种策略，其中液体冷却应用更为广泛。这源于液体冷却不仅吸热能力更强，还可在低温环境下作为电池预热策略。电池包包含大量金属与聚合物基制造组件及密封结构，需重点考虑防止短路与事故中电池包损伤等安全因素。面向电动汽车规模化生产，3D打印等增材制造工艺在新型仿生BTMS中的应用需审慎评估上述因素，过度复杂的系统会提升制造与维护难度，最终推高电动汽车成本。商用电动汽车电池包设计涉及大量结构与功能细节，当前仅采用简洁的冷却与加热方案。因此新型BTMS设计，尤其是仿生概念方案，必须重点考量有效性、简洁性、成本效益与维护便捷性。
3. BTMS中的仿生方法应用
3.1. 仿生设计原理概述
自然在高效适应环境方面积累了亿万年经验，研究人员据此开发了多种仿生热管理设计。灵感来源不限于植物，还涵盖昆虫、动物乃至人体等各类自然系统，已应用于BTMS的翅片、冷板、流道几何结构与流体分配系统等组件。本综述按生物灵感来源分类，因核心目标是评估不同自然系统向工程方案的转化效果及其在现实电动汽车应用中的可行性。传统BTMS综述多采用冷却机制或工程功能分类，而本分类可直接对比不同灵感来源的特征、复杂度、优劣势及实际影响。
3.2. 植物启发设计
各类仿生方法中，植物启发设计在BTMS研究中占比最高。这源于植物具备高效的体内流体输运与分配机制（即维管网络），可实现叶片、茎与根内部的高效传热与传质，为热管理应用提供了自适应、高能效输运系统的典范。因此大量研究聚焦模拟植物维管结构，开发复合PCM翅片、冷却流道与冷板流道分配方案。相比昆虫、鸟类、水生生物或人体等其他生物灵感，植物启发设计因结构简洁、可扩展性强且与流体冷却系统高度相关，在当前仿生BTMS文献中占主导地位。
研究人员开发了多种植物叶脉启发的微通道冷板，通过优化主流道收缩角、分支流道数量、取向、宽度及冷却液入口质量流量等几何参数，提升BTMS热性能。针对大尺寸锂离子软包电池，卵圆形叶片维管模式启发的仿生微通道液体冷却系统可提升温度均匀性约75%，12电芯电池包的封装效率达82%。枫叶叶脉启发的仿生叶形流道相比鱼骨形、直形与蛇形流道，可显著提升温度均匀性，降低极耳区域热量积聚，压力降较蛇形流道降低约85.7%。荷叶启发的液体冷却板应用于三元动力聚合物锂离子电池BTMS，最高温度降低0.776 °C，最大温差2.445 °C，压力降仅为蛇形流道的43.44%，兼顾泵功效率与能量效率。
针对棱柱形锂离子电池极耳区域产热集中的问题，仿生叶脉结构PCM基BTMS通过在极耳附近设置更宽翅片，实现较传统矩形翅片34.6%的降温效果。基于树苗叶脉网络的液体冷却流道设计中，叶柄流道宽度比是调控热行为与流动阻力的核心参数。榕树气生根层级分布式网络启发的BTMS结合PCM外壳与仿生液体冷却流道，用于大规模储能电池，可降低最高温度10.37 °C，减小温度梯度20.39 °C。蕨类植物叶脉启发的冷板通过提升中心区域流体入口流速，在新欧洲行驶循环下将电池最高温度与温差分别控制在37.1 °C与2.5 °C。树状分支结构冷板将冷却液入口设置于软包电池极耳侧，通过分支流道网络扩大与冷板表面的接触面积，强化电芯中心区域传热。掌状叶叶脉启发的仿生叶脉液体流道采用Canny边缘检测算法生成几何结构，较传统冷板降低最高温度10.17 °C，提升传热效率22.43%，且部分研究已通过传统机械加工工艺完成冷板制备与建模，而非仅依赖计算机辅助设计与计算流体动力学数值分析。
植物启发研究的性能提升幅度因基准配置不同差异显著，例如85.7%与43.44%的压力降降低均以蛇形流道为基准，但各研究的绝对压力降值、流量与流道尺寸差异较大，百分比提升的直接对比可能产生误导。温度均匀性提升指标（如75%与22.43%）也因度量标准与运行条件不同，难以得出通用性结论。基准选择与性能度量的不一致是该类研究的共性局限，制约了跨研究对比。
3.3. 昆虫启发设计
昆虫为仿生BTMS设计提供了丰富灵感，包括蜘蛛网、蜂窝等栖息构造，以及翅膀、外骨骼等身体结构，这些结构具备高效的载荷分布、流道路径与热-结构功能特性。蜘蛛网结构启发的仿生冷板应用于软包锂离子电池双侧流道，研究表明流道宽度是影响冷却性能的主导结构参数，流道角度影响较小。针对圆柱形锂离子电池的蜘蛛网结构换热器相比仿生蜂窝结构与传统螺旋结构，在降低电芯温度与压力降方面表现更优，但该研究仅通过数值仿真开展，未制备物理原型，可能源于蜘蛛网结构的高制造复杂度。蜘蛛网结构也被用于复合PCM，石墨烯骨架中嵌入蜘蛛网结构的复合PCM在2.25 vol%的低填料负载下，面外与面内热导率分别达2.58 W/m·K与1.78 W/m·K，可将电池温度维持在最优区间。
蜜蜂蜂窝结构被广泛应用于混合仿生BTMS。PCM结合仿生蜂窝翅片的混合BTMS中，蜂窝翅片结构可实现PCM热量的垂直方向均匀分布，最优蜂窝孔隙率约0.78，温度降低幅度达61%。液体冷却板中的蜂窝结构优化显示，冷却流道宽度3 mm、正六边形中心至边长垂直距离6.8 mm为最优结构参数。复合液体冷却PCM结合蜂窝结构的设计通过扩大换热面积，提升了传热功率与效率，可有效控制电池温升并维持温度均匀性。蜻蜓翅膀启发的金属翅片结构嵌入PCM中，通过主翅片、次级分支与互联翅片构成的三维翅片网络，模拟自然翅脉的协同组织，实现14%的最高电池温度降低，并显著改善PCM熔化的均匀性。模拟大蓝闪蝶翅膀结构的PorousMorphoGrid多孔流道设计较传统矩形流道降低压力降16.84%，同时提升温度均匀性，减少的泵功需求使其成为高性价比BTMS方案。
昆虫启发设计的主导几何参数存在不一致性：蜘蛛网冷板研究中流道宽度为关键参数，而蜂窝结构研究中六边形几何与流道间距（角度相关维度）为性能主导因素。这表明主导参数高度依赖所选生物模板与电池构型，而非通用设计原则。若无标准化测试条件，难以区分性能差异源于结构机制还是数值设置与边界条件差异。总体而言，昆虫启发BTMS在提升热工水力性能、改善温度均匀性、降低压力降与流动效率方面潜力显著，但现有研究多依赖计算流体动力学数值仿真，实验验证与原型制备不足，可能源于制造复杂度、高成本或先进制造资源限制。若未来研究能证实热工水力收益高于制造成本，昆虫启发BTMS有望成为工业应用的可行方案。
3.4. 鸟类启发设计
鸟类启发BTMS研究较少。现有研究将鸟类喙部光滑表面启发的翅片嵌入PCM与空气冷却结合的BTMS中，数值仿真显示该仿生BTMS可降低最高电池温度3.4 °C，较矩形翅片与翼形翅片分别降低BTMS功耗23%与33%。采用延迟空气冷却策略后，仿生翅片设计可进一步降低功耗59%，表明该设计可在特定时段无需主动空气冷却即可维持BTMS在适宜温度区间。
3.5. 水生生物启发设计
水生生物因高度优化的水动力特性受到仿生BTMS研究关注。鲨鱼皮肋条、鳄鱼皮纹理、鱼鳞图案等表面形态可有效降低流动阻力、引导流体运动并强化对流换热，通过调控近壁流动行为与改善流体-表面相互作用提升热交换效率。相关设计可整合至冷却流道、翅片与冷板等BTMS组件，也可与PCM耦合进一步提升散热、温度均匀性与整体热管理性能。
锤头鲨头部启发的头翼形翅片结合PCM与空气冷却的混合BTMS，较纯PCM方案将最高温度降低幅度从3.63 °C提升至6.65 °C，利用了鲨鱼头部形态的低流阻特性。旗鱼形态启发的仿生鳍阵列流道基于旗鱼流线型体型设计，可实现低流阻、均匀流体分布与高效散热。浸没冷却系统中，鱼类形态的仿生穿孔导流结构较传统导流结构降低最高电池温度12.2%，减少泵功消耗42.1%。鱼鳞结构启发的仿生流道实现10.8%的电池温度降低。鱼骨架启发的仿生微通道冷却板通过中心主流道与多分支流道结构，较传统螺旋蛇形冷却板降低最高电池温度3.71%，压力降降低75.16%。鲨鱼皮表面启发的菱形结构冷板通过菱形流道与垂直子流道的组合，采用铝材降低系统重量，较传统设计提升温度均匀性23.97%，降低能耗22.62%。
水生启发研究存在未被充分讨论的权衡：尽管整体最高温度降低，但流道出口侧表面温度更高，表明快速游动物种启发的低阻几何结构可能改善整体热指标，但会将热不均匀性转移至电芯特定区域。局部热点而非平均温度是加速衰减与热失控风险的主要诱因，因此未来水生启发设计需同时报告局部温度分布与全局指标，避免掩盖此类权衡。总体而言，水生生物启发设计通过促进流体混合与优化流动特性，在降低泵功与提升传热效率方面潜力显著。
3.6. 人体启发设计
近期研究从人体静脉、皮肤等结构中汲取灵感开发BTMS组件。肺泡结构启发的浸没式冷却结构利用人体血管系统的分形架构优势，通过精细分支微管路径实现均衡流道分布与高效传热，扩大冷却液与电池的换热面积，提升温度均匀性与冷却性能。人体血管网络启发的仿生冷板结合冷板、热管与翅片构成混合BTMS，通过拓扑优化进一步提升性能，较传统蛇形与网状流道液体冷却系统降低最高温度达5%，但需制备原型并开展实验测试以验证实际热工水力性能。哺乳动物皮肤启发的自适应纳米复合冷却膜作为被动BTMS方案，经实验验证可实现802.5 W/m2的平均冷却功率与34.3 °C的降温幅度，具备阻燃性与成本优势，1000小时循环后仍能稳定控温且无泄漏或腐蚀问题。人体结构蕴含的高效热与流体调控机制，为BTMS组件开发提供了广阔潜力。
3.7. 其他自然物理现象启发设计
珊瑚礁、雪花、冰晶等自然物理现象也为冷板、流道与翅片的传热强化提供了灵感。知名汽车零部件供应商MAHLE在2023年慕尼黑IAA Mobility展出的珊瑚形态仿生冷却板，通过仿生流道结构提升冷却能力10%，降低能耗或压力降约20%，高刚性设计允许使用更薄材料，减少15%制造原材料，支持汽车轻量化目标，流道可自适应局部温度变化优化冷却液分配，确保电芯温度均匀性，支持快充安全。雪花结构启发的PCM翅片可强化圆柱电芯周围传热，提升系统可靠性。雪花形流道冷板较蛇形流道冷板降低压力降86.99%，减重42.59%，维持电池温度约44.48 °C，最大温差约3.84 °C，但该研究仅针对单电芯开展数值分析，需扩展至模组层面以评估实际BTMS性能。斐波那契螺旋翅片通过优化PCM内部导热路径，抑制瞬态温升，提升热管理效率。
4. 仿生BTMS的可行性与挑战批判性评估
（注：因原文第4节内容未在提供的片段中完整呈现，此处严格遵循要求不杜撰内容，若需完整总结需补充对应文本。基于现有内容，可明确该部分将围绕制造可行性、成本、系统重量、维护便捷性、安全性等维度，结合前文各类仿生设计的特性，对比工业量产的实际约束，评估各灵感来源方案的落地潜力，指出仿真与实验的脱节、标准化缺失、跨研究对比困难等核心问题，为后续研究方向提供依据。）
5. 未来研究方向
（注：同第4节，需补充原文对应内容以完整总结，核心将围绕填补研究缺口，包括加强原型实验验证、建立标准化性能评估体系、开展多尺度仿真与制造工艺协同优化、探索拓扑优化与仿生设计的深度融合、评估全生命周期成本与环境效益等，推动仿生BTMS从实验室概念向工业应用转化。）
6. 结论
（注：需补充原文对应内容，核心将总结仿生设计为BTMS创新提供的价值，明确其应用需平衡自然原理借鉴与工程实际需求，强调可行性评估对产业落地的关键作用，为未来研究提供方向性指引。）
