新能源車(chē)輛電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能研究中圖分類(lèi)號(hào)：U462DOI：10.20042/ki.1009-4903.2025.02.027Abstract：Tegobalautomotiveindustryisacceleratingiselectrficatiotransformatio，andthepenetrationateofthenwenergyvehiclemarkethassignificantlyincreased.Teperfomanceofpowerbateriesisrucialforthernge，safetyandifespanofnwenergyvehicles.Theprocessofbaterycharginganddischargingisaffctedbytemperaturehichcaneasilyladtocapacitydecayshortendifespan，andthermalrunawaysafetyrisksatextremetemperatures.BTMSisakeytechnologythatensuresbateryperformanceandsafetybypreciselyregulatingthetemperatureofthebaterypack.ProposeabaterythermalmanagementsystemsolutionbasedulectivetizationntegratingCandliqidingtehnloydoptinginteligentpedictitrolandoptimizingeatflowfieldtoiproveatdisipationeficiencyergybnce，anddaptabilyeptizationplielycontrolsthetemperaturedifferenceofthebatterypackto±2°C，reducesthetemperatureby12%underhightemperatureconditions，andincreasesthepreheatingefficiencyby35%underlowtemperatureconditions，greatlyimprovingtheworkingenvironmentandprovidingtheoreticalandpracticalguidancefortheengineeringaplicatiooftheralmanagementtechnologyfornewenergyvehiebatteries.KeyWords：Newenergyvehicles;Baterythermalmanagementsystem;Phasechangematerials;Liquidcoledstructure;Modelpredictivecontrol;Batteryperformance新能源汽車(chē)發(fā)展推動(dòng)高要求的動(dòng)力電池性能提升。電池管理系統(tǒng)作為新能源汽車(chē)的“能量大腦”，不僅負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的狀態(tài)、溫度、電壓等多項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，還通過(guò)智能調(diào)節(jié)來(lái)優(yōu)化電池工作狀態(tài)，確保電池在最佳條件下運(yùn)行1。2020年11月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021＼～2035年）》，要求深入實(shí)施發(fā)展新能源汽車(chē)國(guó)家戰(zhàn)略，推動(dòng)中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，加快建設(shè)汽車(chē)強(qiáng)國(guó)2。動(dòng)力電池系統(tǒng)是新能源汽車(chē)動(dòng)力核心，隨著國(guó)家政策和對(duì)新能源汽車(chē)技術(shù)要求不斷提高，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性要求更高，指導(dǎo)和推進(jìn)企業(yè)研發(fā)出更加安全的電池系統(tǒng)以滿(mǎn)足國(guó)家政策要求和市場(chǎng)需求[3。鋰離子電池因高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命而成為主流，但其工作溫度范圍狹窄（理想25～40°C），對(duì)溫度均勻性要求高。電池組內(nèi)單體溫差超過(guò)5C時(shí)加速衰減不均，致整體容量下降；溫度高于60C時(shí)化學(xué)反應(yīng)加劇，出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)熱失控；-20°C（低溫）以下，電池容量衰減高達(dá)30%以上，充放電效率明顯降低。而高效熱管理是解決電池溫度敏感性問(wèn)題的關(guān)鍵?，F(xiàn)有電池?zé)峁芾砑夹g(shù)有空氣冷卻、液冷、相變材料冷卻及熱管/均熱板冷卻等幾種。其中，空氣冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但散熱效率與響應(yīng)速度受限，難以適應(yīng)高能量密度電池需求；液冷系統(tǒng)雖然強(qiáng)于熱量交換但管路復(fù)雜且能耗高；相變材料被動(dòng)散熱性能穩(wěn)定，但導(dǎo)熱系數(shù)低，需與其他散熱方式協(xié)同使用以彌補(bǔ)不足。傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的PID控制策略在應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況時(shí)，表現(xiàn)出對(duì)溫度動(dòng)態(tài)變化適應(yīng)性不足的問(wèn)題，進(jìn)而影響系統(tǒng)能效與散熱效果的均衡。為此，本文提出融合主動(dòng)液冷與被動(dòng)相變材料的復(fù)合熱管理方案；通過(guò)優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)材料配比及實(shí)施智能控制策略，可實(shí)現(xiàn)電池組溫度場(chǎng)均勻高效調(diào)控。本研究?jī)?nèi)容涵蓋系統(tǒng)建模、仿真優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，旨在為提升新能源車(chē)輛的電池性能與安全性提供技術(shù)路徑。1電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理1.1復(fù)合散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）相變材料與液冷板耦合方案。采用石蠟基相變材料（熔點(diǎn)35°C，潛熱210kJ/kg）作為電池單體間散熱介質(zhì)，通過(guò)相變過(guò)程調(diào)節(jié)熱量，穩(wěn)定溫度。集成蛇形液冷板于電池組底部，使用50%乙二醇水溶液作為冷卻液，由泵體驅(qū)動(dòng)主動(dòng)導(dǎo)出熱量。多孔棱柱狀相變材料垂直于液冷板流道，構(gòu)成三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)熱交換效率，通過(guò)增加接觸面積促進(jìn)流體與相變材料的協(xié)同對(duì)流。（2）流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過(guò)CFD參數(shù)化建模，以流道尺寸變量?jī)?yōu)化電池組表面的溫度均勻性和壓降，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化。正交試驗(yàn)顯示：增大流道寬至6mm使ΔT減18%，但ΔP增25%；縮小流道間至10mm使ΔT減12%，ΔP增15%。采用5mm寬、12mm間距、135°折彎角度的流道設(shè)計(jì)，可在降低流阻的同時(shí)最大化溫度均勻性，優(yōu)化散熱效率與能耗。1.2智能預(yù)測(cè)控制策略傳統(tǒng)PID控制在應(yīng)對(duì)急加速、頻繁充放電等動(dòng)態(tài)工況時(shí)，因固有參數(shù)限制，表現(xiàn)出對(duì)溫度突變響應(yīng)滯后的特性。采用MPC算法集成電池?zé)崮Ｐ图肮r預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化冷卻液流量與泵體功率。具體步驟如下：（1）建立電池?zé)崮Ｐ停翰捎玫刃щ娐放c傳熱學(xué)構(gòu)建電池單體集總參數(shù)模型，描述其動(dòng)態(tài)性能，并通過(guò)脈沖充放電實(shí)驗(yàn)辨識(shí)關(guān)鍵參數(shù)。（2）工況數(shù)據(jù)輸入：通過(guò)車(chē)載傳感器實(shí)時(shí)獲取車(chē)速、電池SOC、環(huán)境溫度，并集成云端地圖數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)10min內(nèi)行駛工況，以精確計(jì)算電池的功率需求和產(chǎn)熱速率。（3）滾動(dòng)優(yōu)化控制：基于30°C目標(biāo)溫控、2°C以?xún)?nèi)溫差及最低能耗設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，每50ms周期內(nèi)解決含狀態(tài)與輸入約束的優(yōu)化問(wèn)題，輸出最優(yōu)冷卻液流量與泵體轉(zhuǎn)速方案。2系統(tǒng)性能仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2.1仿真模型建立基于A(yíng)NSYSFluent，構(gòu)建包含24個(gè)18650型的3.3Ah電池單體，配備相變材料與液冷板流道的三維電池組熱管理系統(tǒng)仿真模型。邊界條件設(shè)置如下：電池充放電電流在NEDC工況下調(diào)整，經(jīng)歷45°C高溫、-10°C低溫工況，冷卻液入口溫度恒定25°C，流量為0.5L/min。材料參數(shù)設(shè)置為：電池和相變材料導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.2W/（m?K）和0.35W/（m?K），后者加入10%石墨烯后升至1.8W/（m?K）；液冷板由導(dǎo)熱系數(shù)205W/（m?K）的鋁合金制成。2.2仿真結(jié)果分析（1）高溫工況散熱性能。優(yōu)化復(fù)合系統(tǒng)使45°C環(huán)境下的電池組最高溫度從58°C降至51°C，溫差控制在1.5°C以?xún)?nèi)。相變材料初期吸收熱量、抑制溫度上升，隨后液冷系統(tǒng)導(dǎo)出累積熱量，兩者耦合實(shí)現(xiàn)更均勻的溫度場(chǎng)分布。（2）低溫工況預(yù)熱效果。傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)在-10°C環(huán)境下需45min將電池組平均溫度提高至5°C，單體溫差4°C；優(yōu)化系統(tǒng)，利用液冷板逆向加熱及相變材料，29min內(nèi)使溫度達(dá)到目標(biāo)，溫差降至1°C以?xún)?nèi)。相變材料凝固釋放潛熱，有助于均勻調(diào)節(jié)電池表面溫度，降低局部過(guò)熱概率。2.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與測(cè)試搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證仿真結(jié)果可靠性，包含電池組測(cè)試箱、溫控環(huán)境艙、液冷循環(huán)裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（精度±0.1°C|o三元鋰電池組（6S4P配置，額定容量60Ah）內(nèi)，每個(gè)單體電池的正負(fù)極表面與相變材料層中均布置有傳感器。（1）溫度均勻性測(cè)試。優(yōu)化3C放電工況下的電池組溫差至1.8°C，較傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)）有顯著提升。相變材料導(dǎo)熱增強(qiáng)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化液冷流道協(xié)同作用，顯著提升了電池間熱傳導(dǎo)效率，有效減少了流動(dòng)死區(qū)，確保了冷卻液分布的均勻性。（2）能耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)。MPC優(yōu)化后，液冷系統(tǒng)NEDC工況下的平均功耗從120W降至85W，節(jié)能效果達(dá)29.2%。MPC算法預(yù)判工況變化，減少泵頻繁啟停和流量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)能耗與散熱需求動(dòng)態(tài)平衡。3優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)電池性能的影響分析3.1循環(huán)壽命提升加速壽命測(cè)試（45°C、1C循環(huán)）顯示，傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)中電池容量衰減至80%需320次循環(huán)；優(yōu)化系統(tǒng)后提升至450次，壽命延長(zhǎng)40.6%。溫度均勻性提升減小了單體電池衰減差異，避免個(gè)別單體過(guò)早失效引發(fā)整組容量下降；高溫下有效降溫抑制了SEI膜生長(zhǎng)，延緩了活性材料損耗。3.2充放電效率優(yōu)化下充電時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)需30min預(yù)熱后升至0.5C，優(yōu)化系統(tǒng)可直接0.5C充電，縮短時(shí)間25%，能量效率由82%升至88%。這得益于低溫下相變材料與液冷加熱協(xié)同作用，快速建立適宜電化學(xué)反應(yīng)溫度，減少極化內(nèi)阻損耗。3.3安全性能增強(qiáng)優(yōu)化熱擴(kuò)散時(shí)間，由120s增至360sc，相變材料與液冷系統(tǒng)協(xié)同工作，通過(guò)緊急散熱策略提升流量至2L/min，有效遏制熱失控，延長(zhǎng)電池管理系統(tǒng)實(shí)施斷電保護(hù)的時(shí)間。4結(jié)論與展望本文提出創(chuàng)新方案：采用復(fù)合散熱結(jié)構(gòu)與智能控制，優(yōu)化新能源車(chē)輛電池?zé)峁芾?。?jīng)對(duì)系統(tǒng)的理論分析、精細(xì)仿真優(yōu)化與嚴(yán)謹(jǐn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證協(xié)同作用，產(chǎn)出重要成果。相變材料與液冷板耦合，顯著增強(qiáng)熱管理系統(tǒng)的溫度均勻性及散熱效率。在高溫環(huán)境下，電池組溫度降低12%，減緩熱應(yīng)力；低溫下，預(yù)熱效率提升35%，縮短預(yù)熱時(shí)間，保障電池迅速啟動(dòng)及高效運(yùn)作。該設(shè)計(jì)解決了高能量密度電池溫控難題，確保穩(wěn)定運(yùn)行。智能控制策略?xún)?yōu)化成效明顯。MPC智能策略?xún)?yōu)化系統(tǒng)，能顯著降低能耗與散熱，較傳統(tǒng)PID控制節(jié)能29.2%。MPC算法預(yù)判工況變動(dòng)，顯著降低泵體頻繁啟停及流量過(guò)調(diào)，提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)工況適應(yīng)性與穩(wěn)定性。優(yōu)化熱管理系統(tǒng)可顯著提升電池性能。電池循環(huán)壽命顯著提升，容量衰減至80%的循環(huán)次數(shù)從320次增加到450次，增幅達(dá)40.6%。低溫下電池充電時(shí)間縮短25%，能量效率達(dá)88%，大幅提高使用效率。熱失控觸發(fā)實(shí)驗(yàn)表明，電池?zé)釘U(kuò)散時(shí)間從120s延長(zhǎng)至360s，大幅提升了安全性。新能源汽車(chē)電池?zé)峁芾砑夹g(shù)仍有廣闊發(fā)展空間。未來(lái)研究應(yīng)聚焦電池老化模型與熱管理系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)全生命周期內(nèi)溫度策略的自適應(yīng)調(diào)整。建立精準(zhǔn)電池老化模型并集成于熱管系統(tǒng)中，能夠動(dòng)態(tài)優(yōu)化溫控策略，有效延長(zhǎng)電池壽命。開(kāi)發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工況預(yù)測(cè)算法，以提高模型預(yù)測(cè)控制的精度與實(shí)時(shí)性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜工況下能更精確地捕捉車(chē)輛運(yùn)行特征。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)工況，提高M(jìn)PC輸入可靠性，優(yōu)化熱管理系統(tǒng)控制，加速并穩(wěn)定系統(tǒng)響應(yīng)。采用新型散熱材料與微通道結(jié)構(gòu)，優(yōu)化系統(tǒng)能效密度。采用碳納米管相變材料、低熔點(diǎn)合金與微通道結(jié)構(gòu)的新型散熱材料，能高效傳熱、實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)，顯著提升系統(tǒng)能效密度，滿(mǎn)足新能源車(chē)輛對(duì)