高效锂离子电池热管理系统：相变材料/金属泡沫、热管和微通道集成研究

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.rineng.2026.113473

一、研究背景

本研究提出了一种创新的电池热管理系统（BTMS），该系统集成了液冷、U型热管和复合相变材料（CPCM），以提高热效率。利用瞬态热流体仿真模型，在各种运行条件下评估了所提出的先进锂离子电池（LIB） BTMS的热性能。模型的预测结果与实验数据进行了验证，确保了其可靠性和鲁棒性。本研究考察了两种BTMS配置：液冷系统和结合主动液冷、被动CPCM和热管的混合系统。在不同的热负荷下对这些配置进行了测试，以评估其有效性。本研究还探讨了液体入口速度和环境温度对最高温度的影响。最大温度（Tmax）和最大温差（ΔTmax）该研究分析了电池模块内部影响电池效率和寿命的关键指标。此外，该研究还评估了驾驶循环和泵送功率需求，并将电池温度管理系统 (BTMS) 与替代设计进行了比较，结果表明，所提出的系统能够高效散热，同时降低泵送功率需求。主要发现包括混合冷却的卓越性能，该性能可降低Tmax以 9.32 K 的速度在 293 K 时保持最大温差低于 5 K。混合式 BTMS 的热性能与液冷相当，但功耗降低了 53%。在主动冷却失效期间，采用 CPCM 和热管的被动冷却可有效散热，维持最佳温度范围，其中被动式 BTMS 的峰值温度为 308.79 K，混合式 BTMS 的峰值温度低于 302 K。在实际驾驶条件下，混合式 BTMS 可降低最大温度，降低 8.2 K，稳定温度波动。

二、研究内容

本研究选用了一种用于电动汽车的棱柱形锂离子电池（LIB）。该电池采用碳酸酯基电解液、钴酸锂（LCO）正极和石墨负极，容量为7Ah。电池尺寸为宽45 mm、高145 mm、厚9 mm。表2详细列出了该电池的几何和热学特性。本研究重点关注一个包含4个阴极保护材料（CPCM）、4根热管、2个冷板和3个锂离子电池的模块，如图1所示。图1通过三维示意图（图1a）和详细的二维投影图（图1b-1d）展示了系统的配置，从而全面可视化了模块布局。为了最大限度地减少计算成本和时间，仿真采用半电池配置，并结合相应的半冷却板和微通道，同时应用对称边界条件。

图 1.（a）BTMS 的示意图，（b）XY 视图，（c）ZX 视图，（d）ZY 视图

为了模拟混合型电池热管理系统（BTMS）的热行为，我们使用ANSYS Fluent开发了一个瞬态三维CFD模型。网格划分采用ANSYS Meshing工具，生成结构化的六面体网格，以确保计算效率和精度。整个数值方法遵循结构化流程，如图2所示，该图总结了从模型定义到验证和分析的关键步骤。控制方程（包括能量、质量和动量守恒方程）采用基于压力的求解器求解，压力-速度耦合采用SIMPLE算法。CPCM的相变现象采用焓-孔隙率方法建模，该方法能够有效地捕捉熔化和凝固过程。电池单元内部的热量产生通过基于解析模型的用户自定义函数（UDF）实现，以确保对热源的真实表征。

图2. 电池热管理模拟所用数值方法的流程图

为了确保计算精度和效率之间的最佳平衡，我们使用 ANSYS Meshing 中的扫描法生成了结构化的六面体网格。网格划分策略在流体域中引入了膨胀层，以提高近壁分辨率，并采用了平滑过渡法，网格层数为五层，增长率为 1.2。流体域的平均单元尺寸为 0.3 mm，以精确解析速度和温度梯度；而固体域的单元尺寸略大，为 0.5 mm，以在保持热精度的同时降低计算成本。在关键区域，特别是微通道周围，应用了边尺寸细化，以提高速度和温度梯度显著区域的分辨率。最终的结构化网格分布（包括细化区域和边界层膨胀）如图 3所示。

图3. 计算域中的网格分布和细化：（a）BTMS 的完整 3D 网格，（b）微通道网格的放大视图，（c）热管冷却的横截面视图，（d）结构化网格的俯视图

在环境温度为293 K、对流换热系数为5 Wm^-2K^-1的条件下，评估了100Ah锂离子电池在自然空气冷却下，以1C和1.5C放电倍率进行的热性能。与Lin等人的实验数据进行对比验证，证实了模型的准确性。该模拟采用Bernardi热生成模型，考虑了焦耳热和熵变的影响。如图5所示，最大偏差在1C和1.5C时分别为3.5%和9.1%，且由于更高的放电倍率下温度梯度增大，偏差也随之增大。结果表明，仅靠自然对流不足以满足高功率应用的需求，因此需要采用更有效的冷却策略。

图5. 在293 K 环境温度下平均温度升高的比较

电池组的参数是直接影响电池组性能、寿命和安全性的最重要参数。图 7显示了这些参数的变化情况。最大温度在5C的排放速率和三种环境温度（293 K、297 K和303 K）下，针对主动液冷和混合冷却BTMS，研究了入口速度的影响。结果表明，增加入口速度会导致最大温度降低，由于对流换热系数较高，两种设计的BTMS均表现出较高的换热性能。在293 K的环境温度下，混合冷却会降低……最大温度在入口速度为 0.1 米/秒时，温差为 9.32 K。然而，将入口速度提高到 1 米/秒会导致温差减小。由于电池放电速率恒定，混合冷却和液冷之间的温差为 7.66 K。如图 7所示，在 297 K 和 303 K 的环境温度模拟中也获得了类似的结果，混合冷却降低了温差。最大温度分别降低了 8.19 K 和 6.21 K。结果表明，随着环境温度的升高，混合冷却散热性能下降，这主要是由于在较高环境温度下 CPCM 的熔化过程，尤其是在 303 K 时，CPCM 在放电过程开始前就完全熔化了。图 8显示了在 297 K 环境温度下，混合 BTMS 在放电过程三个阶段中不同入口速度下电池内部的温度分布。如图所示，增加入口速度会导致电池内部温度降低。此外，温度分布和ΔTmax电池内部温度在允许范围内，低于 5 K。

图 7.液态和混合型 BTMS 的最高温度与入口冷却剂流速的关系

图 8.混合式 BTMS 中电池单元内部温度随冷却剂入口流量的变化

图 13展示了在安全场景和混合 BTMS 下，电池单体在 200 秒、400 秒和 600 秒时的温度分布。结果表明，尽管缺乏强制对流，被动式系统仍能有效地将电池温度维持在工作范围内，防止热失控。虽然观察到温度随时间逐渐升高，但被动式 BTMS 能够抑制过热。相比之下，混合式 BTMS 由于主动冷却和被动冷却的共同作用，确保了更均匀的温度分布和更低的峰值温度。这些发现强调了被动式系统在主动冷却失效的情况下维持热安全的可靠性。

图 13.安全场景和混合 BTMS 中电池单体的温度分布

三、总结与展望

本研究提出了一种先进的混合电池热管理系统，该系统集成了液冷、U型热管和CPCM（相变材料），旨在提升锂离子电池的热性能。通过瞬态热流体仿真模型评估了该系统的有效性，并利用实验数据验证了模型的准确性和稳健性。研究分析了两种不同的电池热管理系统（BTMS）配置：（1）传统的液冷系统；（2）结合主动液冷、被动CPCM和热管的混合冷却系统。研究考察了两种系统在不同热负荷、入口速度和环境温度下的热性能，重点关注电池最高温度和最大温差等关键参数。此外，还研究了系统在实际驾驶工况（WLTP 3级）下的泵功率需求和性能，结果表明，与传统的液冷系统相比，混合BTMS显著提高了散热效率，增强了温度均匀性，并降低了能耗。本研究的主要发现总结如下：

? 卓越的温度降低：与液冷相比，混合式BTMS展现出更强的散热能力。在293 K的环境温度下，该混合系统降低了温度。在入口速度为0.1 m/s时，温度降低了9.32 K；而在297 K和303 K时，温度分别降低了8.19 K和6.21 K。然而，在更高的环境温度下，由于过早熔化，CPCM的散热效率下降。

? 温度均匀性提高：混合冷却系统保持了最大温差，在所有场景下，温度均在关键的 5K 阈值范围内。入口速度为 0.1 米/秒时，混合式BTMS的温度为1.46 K，液冷式BTMS的温度为1.12 K，而速度为1米/秒时，温度分别升高至 3.28 K 和 1.69 K。热管的集成显著提高了核心温度均匀性，解决了电池材料导热系数低的问题。

? 能源效率和泵功率降低：混合式BTMS在实现与液冷相当的热性能的同时，泵功率降低了53%。在0.7米/秒的入口速度下，混合式BTMS保持了与1米/秒液冷相近的冷却效果，凸显了其卓越的热效率和更低的能耗。

? 被动冷却和热安全：在主动冷却失效的情况下，被动式热管理系统 (BTMS) 将峰值温度维持在 308.79 K，防止热失控。

? 实际驾驶条件下的性能：在 WLTP 3 级驾驶循环下，混合动力 BTMS 降低了最大温度。与液冷相比，混合式系统的温度降低了 8.2 K。此外，混合式系统将温度波动稳定在 299.5 K 至 302.5 K 的范围内，而液冷系统的波动范围为 304.5 K 至 311.7 K。这凸显了混合式热管理系统在管理动态热负荷方面的优越性，能够有效降低高功率驾驶循环期间的温度波动。

信息来源：传热与传质

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

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