径向发散式冷却板流道分布对动力电池热管理的影响

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Influence of radial divergent coolant flow plate channel distribution on thermal management of power batteries

　　

•提出了一种具有中心入口的径向液冷板，与传统结构相比，T???降低了 0.18 K，ΔT???降低了 6.82%，ΔP 降低了 95.51%。
•关键参数影响 BTMS：均匀肋条、水冷剂、流速和入口温度调节性能。
•正交实验确定了 W2F4T1，与基线相比，T???降低了 4.43 K，ΔT???降低了 0.22 K。

引言
近年来，全球燃油车辆数量的激增及其过多的废气排放对生态环境造成了巨大挑战。电动汽车（EV）凭借其低碳和环保的优势而广受欢迎 [1], [2], [3]。锂离子电池（LIB）因其能量密度高、自放电率低、循环寿命长且效率高，在电动汽车和储能领域得到了广泛应用 [4], [5], [6], [7]。然而，LIB 在充放电循环过程中会出现温度升高，使其面临热失控风险 [8], [9], [10]。为解决这一挑战，已为电池热管理系统（BTMS）制定了严格的性能标准——包括低能耗、高散热效率和高可靠性 [11], [12]。通常，LIB 的最佳工作温度窗口在 25 °C 到 40 °C 之间，而电池模块之间的温度变化应限制在 5 °C 以下 [13], [14], [15], [16], [17]。因此，BTMS 在降低热失控风险方面发挥着关键作用。

目前，最常见的冷却方法包括风冷 [18]、相变材料（PCM）冷却 [19], [20], [21]、液冷 [22]、热管冷却 [23], [24]，以及这些方法的组合 [25]。在冷却策略方面，被动冷却和主动冷却是这类方法的两大主要分类。PCM 和热管冷却属于被动类别，而其他方法被归类为主动冷却 [26]。热管和 PCM 冷却方法可以有效散热，但由于技术要求高和制造成本高，其实际应用受到限制 [4]。由于设计简单且制造成本低，风冷热管理系统被广泛应用于早期的 BTMS 设计中。然而，由于空气导热性差，它们在涉及高倍率放电和高温的场景中用途有限 [27]。液冷已被广泛应用于 BTMS。根据冷却液与电池之间的接触方式，它可以进一步分为直接接触冷却和间接接触冷却 [28]。与直接接触冷却相比，间接类型具有较低的电气短路和冷却液泄漏风险，从而提高了电池系统的运行安全性。此外，间接接触冷却提高了电池模块的温度均匀性，同时减轻了局部热点的发展 [13]。

微通道冷板结构因其体积紧凑和散热性能优越，已成为流体冷却的主流研究方向。最近的研究工作主要集中在 BTMS 的冷却剂选择和运行参数、流道结构创新以及配置和参数的优化上 [29]。

关于冷却剂选择和运行参数，冷却剂的选择以及入口和出口的配置对液冷性能有着至关重要的影响 [30], [31], [32], [33]。为了提高传热效率，Zhu [30] 采用高性能烃类油作为冷却液，设计的沉浸式冷却系统相比冷板液冷表现出高性能：与 S 形通道冷板相比，ΔP、ΔTmax 和 Tmax 分别降低了 94.23%、51.52% 和 50.61%；与平行通道相比，分别降低了 51.72%、51.91% 和 3.64%。Li 等 [31] 研究了沉浸式冷却剂特性对沉浸式冷却系统性能的影响，选择了易燃和不燃绝缘液体来衡量热物理特性对冷却性能的影响程度，在电池模块内实现了小于 2 K 的 ΔTmax。Yang [32] 采用 PCM 乳液作为冷却液，发现与传统水冷剂相比，前者将泵功耗最多降低了 66.6%，最少降低了 18.9%。Madani 等 [33] 揭示冷却方向和管路排列显著影响 LIB 散热，通过增加管路数量和调整冷却方向可以有效提高 BTMS 性能。四管方案具有更大的高温区，在入口速度分别为 0.1、0.5、1 和 2 m/s 时，最大温差分别为 5.7、3.3、2.5 和 1.9 °C。此外，压降随管路数量增加而上升，当数量从 4 增加到 10 时，压降增加了 80%。

冷板的结构设计对 BTMS 的热液压性能至关重要 [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41]。Chen [34] 研究了用于方形锂离子电池的针翅微通道冷板。结果证实，针翅能有效增强传热并降低电池 Tmax 和 ΔTmax，而较短的针翅会恶化电池热性能。在 3C 放电和 0.4 m/s 入口速度下，与无翅片平滑微通道（Case D1）相比，直列针翅结构（Case D2）使努塞尔数提高了 68.062%，Tmax 和 ΔTmax 分别降低了 29.286% 和 31.308%。Lu [35] 提出了一种自交叉液冷板设计。研究表明，与两种传统侧置冷板相比，电池表面的 Tmax 分别降低了 17% 和 25%，与直流冷板相比降低了 7%，同时提高了温度均匀性。Cheng 等 [36] 为 18,650 型锂离子电池引入了一种新型双螺旋冷却结构。当螺距和直径两个参数超过其特定阈值时，电池 Tmax 呈现增加趋势。确定的最佳参数组合如下：螺旋凹槽螺距为 100 mm，冷却液质量流量为 1.94 × 10?3 kg/s，流道内径为 0.4 mm。Zhao 等 [37] 引入了一种网状结构冷板，与直通道冷板的对比研究表明，网状结构能显著提高温度均匀性并抑制局部热点的形成。最佳方案可将最高温度、最大温差和压降分别控制在 301.3 K、3.1 K 和 251 Pa。Wu 等 [38] 制造了一种齿轮状翅片结构，并将集管式多通道冷板集成到系统中。他们的实验发现，优化后的齿轮状翅片配置可将 ΔTmax 和 Tmax 分别降低 1.31 K 和 5.88 K，集管式多通道冷板被发现可使温度因子降低 0.2。Khasow 等 [39] 研究了集成具有单螺旋流道微通道冷板的方形 LIB 的冷却性能。通过热电偶传感器的测量，揭示电池电极附近的温度超过电池表面中心区域的温度。Sangram Kumar Samal 等 [40] 针对电子芯片散热，提出了一种新型径向分形树分支微通道散热器。数值模型通过了内部实验结果 TB-MCHS-DIV-1°的验证，压降、流体温升、平均传热系数和总热阻力量的平均百分比误差分别为 5.5%、6.2%、10.61% 和 7.15%。与通道高度均匀的常规结构不同，该设计采用了从中心入口到径向出口连续梯度的通道深度（沿流动方向增加或减少），从而在不同通道之间产生了不同的流体体积。设计了一种通道从中心向边缘分叉的新型双层微通道液冷板（LCP）结构。结果表明，具有双入口和双出口布局的 LCP 实现了最小的压降和最佳的温度控制性能。在 2C 放电条件下，该 LCP 将电池的最高温度和最大温差分别限制在 38.83 °C 和 6.57 °C，压降仅为 25.7 Pa [41]。

BTMS 的运行和结构参数之间存在强烈的耦合相关性，研究单个参数对散热系统的影响以及它们的协同优化是提高牵引电池模块热调节效率的核心步骤 [42], [43], [44], [45], [46]。Liang 等 [42] 提出了一种仿生叶脉配置，并优化了通道的高度、宽度、数量和角度，优化结构的温度均匀性提高了 29%。Sun 等 [43] 设计了一种分支蛇形流道，并采用正交试验方法对其进行优化。结果表明，ΔTmax 从 1.16 °C 降低到 0.38 °C，结构的 ΔP 从 98.2 kPa 降低到 92.3 kPa。Shen 等 [44] 通过数值模拟验证，在 R-134a 制冷剂直接冷却 BTMS 中，直平行窄通道冷板（截面 1 × 40 mm2，D ≈ 1.95 mm）在质量流量为 0.08 kg/s (1C) 时实现了 614.385 的最佳 CPI。蒸发温度是系统稳定性的决定性约束。虽然系统不能防止单个电芯的热失控，但它可以抑制热传播。Duong 等 [45] 基于全局收敛移动渐近线算法采用拓扑优化方法，与传统的线性通道冷板相比，拓扑优化后的冷板将 ΔTmax 降低了 48%，电池模块的温度标准差降低了 57%。Wei 等 [46] 针对间歇脉动流下电动汽车锂离子电池多通道冷板的散热和能耗多目标优化，结合响应面法 (RSM) 和 NSGA-II 获得帕累托最优解：平均传热系数为 394.70 W·m?2·°C?1，能耗为 0.1086 J，对应最佳稳流速度为 0.02392 m/s，脉动幅度为 0.1778，频率为 3.1846 Hz，速度的线性项对性能影响最显著。

以前的研究表明，中心入口径向流道结构可以有效降低泵功并改善电子芯片散热中的温度均匀性，几项电池热管理研究也探索了中心分叉液冷板的温度控制性能。然而，现有解决方案仍存在局限性。大多数径向微通道结构是为平面芯片热源设计的，无法适应方形动力电池模块的厚度方向热导特性和空间布局。对于现有的电池应用中心入口冷却结构，大多数研究侧重于流道的分叉形式，而关于肋宽梯度分布与电池产热分布匹配的系统性研究仍然稀缺。因此，本文提出了一种具有中心入口的径向对称发散结构，系统地研究了流道肋尺寸梯度参数、冷却液类型、入口温度和质量流量对电池热管理系统（BTMS）性能的影响，并最终采用正交试验方法确定系统的最佳参数配置。

章节片段
具有径向发散冷板的电池热管理系统
图 1 展示了通过径向发散配置对方形 LIB 模块的热管理结构，该结构由七个方形 LIB、八个导热垫片和两个冷板组成。导热垫片放置在相邻电池单体之间，以及电池单体与冷板之间。为了增强 BTMS 的冷却能力，冷板被固定在模块的两侧。采用的方形 LIB 尺寸
冷板放置对电池热管理系统散热性能的影响
冷板的排列对电池模块的散热至关重要。本研究分析了四种冷板排列方式，如图 3 所示。四种排列定义如下：排列 1 指侧向排列，而排列 2、排列 3 和排列 4 对应冷板安装在电池模块顶部的方案。排列 2 到排列 4 均由两个对称单元组成，每个单元
正交实验
本章的正交优化是在本实验采用的特定规格的方形电池模块上进行的，电池容量和厚度保持不变。

该设置旨在消除电池单体热特性差异引起的干扰，并保证流道参数分析变量的唯一性，从而准确揭示结构参数和热的影响规律。

结论

在本工作中，开发了一种专为锂离子电池（LIBs）设计的扩散式散热系统。比较和分析了冷却液流板放置位置和各种扩散结构对电池热管理系统（BTMS）性能的影响。此外，考察了质量流量、流道肋尺寸梯度参数、入口温度和冷却流体类型对 BTMS 性能的影响。最终，采用正交试验方法确定 BTMS 的最佳参数设置，

CRediT 作者贡献声明

戚文杰：概念化。王新建：写作 – 初稿。余嘉通：数据管理。刘洋：形式分析。兰鹏：资金获取。程振波：调查。葛帅帅：方法论。何自强：项目管理。金川：软件。张毅：资源。

利益冲突声明

该手稿是已由所有作者查看并批准提交的最终版本，尚未在其他地方部分或整体发表，也未由其他期刊考虑。没有需要声明的利益冲突。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（批准号：52406221, 52675010）、重庆市科学技术委员会自然科学基金项目（批准号：CSTB2023NSCQ-MSX0211）、中国重庆市教育委员会科技研究计划青年项目（编号：KJQN202301106）、中国博士后科学基金（证书编号：2025MD774155）以及福建省高校重点实验室的开放基金的支持。

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