畢業(yè)論文汽車專業(yè)模板一.摘要

本章節(jié)以某新能源汽車企業(yè)為例，探討其電池熱管理系統(tǒng)在極端工況下的優(yōu)化策略及其對整車性能的影響。案例背景聚焦于該企業(yè)旗下的一款高性能電動SUV，該車型在高溫環(huán)境下續(xù)航衰減嚴重，亟需通過熱管理系統(tǒng)改進來提升耐久性和用戶體驗。研究方法采用實驗測試與數(shù)值模擬相結合的方式，首先通過臺架試驗獲取電池包在不同溫度梯度下的熱響應數(shù)據(jù)，再利用CFD軟件構建三維熱模型，分析冷卻液流動與電池表面?zhèn)鳠嵋?guī)律。主要發(fā)現(xiàn)表明，傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)在60℃以上工況下散熱效率不足，而采用液冷+相變材料復合系統(tǒng)的原型機熱阻降低37%，最高溫度降幅達25℃，同時續(xù)航里程提升12%。結論指出，動態(tài)調節(jié)冷卻液流量并結合相變材料應用是解決高溫衰減問題的關鍵路徑，該優(yōu)化方案可推廣至同類型電動車型，為行業(yè)提供可行的技術參考。

二.關鍵詞

電池熱管理；極端工況；相變材料；CFD模擬；電動SUV；續(xù)航優(yōu)化

三.引言

全球汽車產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷百年未有之大變局，電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化成為不可逆轉的發(fā)展趨勢。其中，動力電池作為新能源汽車的“心臟”，其性能直接決定了車輛的續(xù)航里程、充電效率和安全性。然而，實際運行中，電池熱管理系統(tǒng)的效能遠低于理論預期，尤其是在極端溫度環(huán)境下，電池性能衰減現(xiàn)象尤為突出。高溫會導致電池內部副反應加速，容量損失加??；低溫則會使電化學反應動力學受阻，充放電效率銳減。據(jù)統(tǒng)計，超過40%的電動汽車故障與熱管理不當有關，尤其在夏季高溫和冬季嚴寒區(qū)域，用戶續(xù)航里程縮水現(xiàn)象普遍，嚴重影響市場接受度。

目前，行業(yè)內主流的熱管理系統(tǒng)仍以傳統(tǒng)風冷為主，其結構簡單、成本較低，但散熱效率受空氣對流限制，難以應對高功率放電和持續(xù)高溫場景。部分高端車型采用液冷技術，雖能顯著提升散熱能力，但系統(tǒng)復雜度增加，且缺乏對電池內部溫度的精細化調控。相變材料（PCM）作為一種潛熱蓄熱介質，近年來在電池熱管理領域嶄露頭角，其相變過程可實現(xiàn)連續(xù)溫度緩沖，但現(xiàn)有研究多集中于單一相變材料的應用，未能充分考慮其與液冷系統(tǒng)的協(xié)同效應。此外，現(xiàn)有優(yōu)化方法多基于靜態(tài)工況分析，對于動態(tài)變化的路況和氣候條件考慮不足，導致實際應用效果與仿真存在較大偏差。

本研究聚焦于新能源汽車電池熱管理系統(tǒng)在極端工況下的性能優(yōu)化問題，以某新能源汽車企業(yè)的高性能電動SUV為研究對象，通過實驗與仿真相結合的手段，系統(tǒng)探究不同熱管理策略對電池溫度場、電化學性能及續(xù)航里程的影響。具體而言，研究將圍繞以下核心問題展開：1）傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)與液冷+相變材料復合系統(tǒng)在高溫（>60℃）工況下的熱阻對比；2）動態(tài)調節(jié)冷卻液流量對電池溫度均勻性的改善效果；3）相變材料封裝形式及填充量對溫度緩沖性能的影響；4）優(yōu)化后的熱管理系統(tǒng)對電池循環(huán)壽命和實際續(xù)航的長期影響。研究假設認為，通過引入相變材料并配合智能流量控制算法，可在保證散熱效率的同時，顯著降低電池最高溫度，提升溫度場均勻性，從而有效延緩容量衰減，最終實現(xiàn)整車性能的全面優(yōu)化。

本研究的意義主要體現(xiàn)在理論層面和實踐層面。理論上，通過構建多物理場耦合模型，可深化對電池熱傳遞機理的理解，為相變材料在電池系統(tǒng)中的應用提供理論依據(jù)；實踐上，研究成果可為新能源汽車熱管理系統(tǒng)設計提供新思路，幫助企業(yè)解決實際產(chǎn)品中存在的熱管理難題，提升產(chǎn)品競爭力。此外，鑒于極端氣候條件在全球范圍內的普遍性，本研究結論對推動電動汽車在非理想環(huán)境下的可靠運行具有重要參考價值。因此，本研究將采用實驗測試、數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)分析相結合的方法，系統(tǒng)驗證優(yōu)化策略的有效性，并為行業(yè)提供一套可復制的技術方案。

四.文獻綜述

電池熱管理是影響新能源汽車性能與安全的核心技術之一，近年來已成為學術界和工業(yè)界的研究熱點。早期研究主要集中在傳統(tǒng)內燃機的冷卻系統(tǒng)經(jīng)驗優(yōu)化上，隨著鋰離子電池技術的發(fā)展，針對其熱特性的研究逐漸興起。20世紀90年代末至21世紀初，研究者開始關注電池熱管理對電化學性能的影響。Goodenough等（1997）通過實驗揭示了電池溫度對開路電壓和容量衰減的顯著作用，指出25℃下最大容量約為45℃時的1.5倍，為熱管理的重要性提供了初步證據(jù)。隨后，Kamath（2001）系統(tǒng)總結了電池熱失控的三種主要機制——過熱、機械損傷和電解液分解，并強調了預防過熱的關鍵性。這一時期的研究主要采用靜態(tài)測試方法，難以精確描述電池內部復雜的熱場分布。

隨著電動汽車的商業(yè)化進程，熱管理系統(tǒng)的設計逐漸從被動散熱向主動控制發(fā)展。風冷系統(tǒng)因其結構簡單、成本低廉而率先得到應用。Wang等（2008）對傳統(tǒng)風冷電池包的傳熱特性進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)空氣自然對流在垂直溫差超過15℃時效率顯著下降，建議采用強制風冷以提升散熱性能。然而，風冷系統(tǒng)的局限性也逐漸暴露，尤其是在高功率放電和持續(xù)高溫環(huán)境下，其散熱能力難以滿足需求。Vollmer等（2012）對比了風冷與液冷系統(tǒng)在NEDC工況下的溫度表現(xiàn)，指出液冷能將電池表面最高溫度降低約18℃，但對系統(tǒng)復雜度和成本提出了更高要求。這一階段的研究開始關注不同冷卻方式的優(yōu)劣，但缺乏對電池內部溫度梯度的精細化分析。

進入21世紀第二個十年，液冷技術成為研究主流，相變材料（PCM）的應用為熱管理帶來了新思路。Zhao等（2015）首次將PCM封裝于電池隔膜中，實驗顯示其能在30-60℃區(qū)間內有效緩沖溫度波動，熱阻降低幅度達40%。隨后，Li等（2017）提出了一種PCM與液冷復合系統(tǒng)，通過優(yōu)化PCM封裝結構和循環(huán)液流量，實現(xiàn)了溫度均勻性提升35%，但其未考慮PCM相變過程中的體積膨脹對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。在仿真研究方面，B等（2016）利用CFD模擬了液冷通道內的流動與傳熱過程，證實了螺旋式通道設計能顯著提升換熱效率，但模型未考慮電池表面非均勻加熱和PCM動態(tài)相變的影響。這些研究推動了復合熱管理系統(tǒng)的理論發(fā)展，但仍存在仿真與實驗脫節(jié)、材料兼容性評估不足等問題。

近年來，智能化控制策略成為研究熱點。Chen等（2019）開發(fā)了基于模糊邏輯的動態(tài)流量控制系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測電池溫度調整冷卻液流量，在NEDC工況下溫度波動范圍減小至±5℃，較傳統(tǒng)定流量系統(tǒng)提升50%。然而，該策略未考慮環(huán)境溫度的快速變化和電池老化對熱響應的影響。Wang等（2020）進一步引入機器學習算法，建立了溫度-流量預測模型，但訓練數(shù)據(jù)主要來源于實驗室條件，對實際路況的泛化能力有限。此外，關于熱管理系統(tǒng)對電池壽命的影響，尚存在爭議。部分研究（如Zhao&Li,2021）認為過冷（<0℃）會加速鋰枝晶生長，主張電池溫度需嚴格控制在15-35℃區(qū)間；而另一些研究（如Sunetal.,2022）通過長期循環(huán)實驗發(fā)現(xiàn)，適度降低工作溫度雖能延長壽命，但可能犧牲部分能量密度。這種分歧源于不同測試條件（如倍率、截止電壓）和電池化學體系（如NMC、LFP）的差異，尚未形成統(tǒng)一結論。

盡管現(xiàn)有研究在風冷、液冷、PCM應用及智能控制等方面取得了顯著進展，但仍存在以下空白：1）復合系統(tǒng)中PCM與液冷的協(xié)同機制尚未完全明確，特別是在相變過程中的動態(tài)熱傳遞特性缺乏深入研究；2）現(xiàn)有優(yōu)化策略多基于穩(wěn)態(tài)工況，對動態(tài)變化的路況（如急加速、爬坡）和極端氣候（如連續(xù)高溫）下的適應性不足；3）熱管理系統(tǒng)與電池包結構、材料兼容性的協(xié)同設計研究較少，導致實際應用中存在應力集中、漏液等問題；4）關于熱管理對電池全生命周期成本和環(huán)保性的綜合評估研究缺乏。這些問題的存在限制了熱管理技術的進一步提升，亟需通過系統(tǒng)性研究填補理論空白，為行業(yè)提供更高效、更可靠的技術方案。

五.正文

本研究旨在通過實驗與數(shù)值模擬相結合的方法，系統(tǒng)探究新能源汽車電池熱管理系統(tǒng)在極端工況下的優(yōu)化策略。研究以某新能源汽車企業(yè)旗下高性能電動SUV的電池包為對象，其額定容量為100kWh，采用磷酸鐵鋰（LFP）電池模組，尺寸為400mm×700mm×150mm，單個模組重量約25kg。電池包內部共集成63個電芯，采用模組化設計，通過導熱凝膠和鋁制殼體實現(xiàn)模組間及模組與冷卻系統(tǒng)的熱傳導。原有熱管理系統(tǒng)采用橫流式風冷設計，包含進風口、散熱鰭片和出風口，冷卻空氣通過電池包側面和頂部的進風孔進入，流經(jīng)電芯表面后從底部出風口排出。

1.實驗方案與設備

實驗在模擬極端高溫和低溫環(huán)境的氣候艙內進行。高溫實驗設定環(huán)境溫度為65±2℃，持續(xù)運行72小時；低溫實驗設定環(huán)境溫度為-10±2℃，持續(xù)運行48小時。實驗系統(tǒng)主要包括以下設備：

1.1熱響應測試平臺：采用德國Hotpack公司生產(chǎn)的HRM-4i電池熱響應測試系統(tǒng)，可精確控制電池包表面溫度，并實時監(jiān)測內部溫度分布。系統(tǒng)配備16個熱電偶，布置在電池包表面、內部以及冷卻液進出口處，熱電偶型號為K型，精度±0.1℃。

1.2冷卻液循環(huán)系統(tǒng)：包含液壓泵（流量范圍0-10L/min，精度±1%）、冷卻液儲罐、管路（材質為鋁合金，內徑10mm）以及流量計（精度±0.2%）。冷卻液選用乙二醇水溶液（質量分數(shù)30%），凝固點-15℃，沸點115℃。

1.3功率模擬器：采用美國MTS公司的758.02電化學測試系統(tǒng)，可模擬不同充放電倍率（C-rate）下的電池工作狀態(tài)。測試過程中，電池包以1C倍率恒流充電至3.65V/節(jié)，再以2C倍率恒流放電至2.5V/節(jié)，循環(huán)進行。

1.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：采用NI公司的PXIe-1062Q數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率1kHz，同步記錄所有傳感器數(shù)據(jù)。實驗軟件為LabVIEW2019，通過自定義程序控制實驗流程并自動導出數(shù)據(jù)。

2.數(shù)值模擬方法

2.1模型構建：基于實驗電池包的幾何尺寸，使用ANSYSWorkbench建立三維熱模型。電池包外表面設置為對流換熱邊界條件，環(huán)境溫度分別設定為65℃和-10℃；冷卻液通道采用恒定熱流輸入，模擬冷卻液流速；電池內部通過導熱系數(shù)和比熱容參數(shù)描述熱傳遞。相變材料（PCM）模型采用焓法，相變潛熱為200kJ/kg，相變溫度范圍為10-20℃。

2.2網(wǎng)格劃分與驗證：模型共劃分250萬網(wǎng)格，采用非均勻網(wǎng)格加密電池表面和冷卻液通道區(qū)域。通過與傳統(tǒng)風冷模型對比，驗證網(wǎng)格獨立性和邊界條件設置的正確性。結果顯示，在最大溫度誤差小于2℃的條件下，網(wǎng)格數(shù)量達到180萬時可滿足計算精度要求。

2.3求解參數(shù)：采用瞬態(tài)熱分析模塊，時間步長0.1s，總模擬時間1000s。材料屬性如表1所示，其中風冷模型取空氣自然對流換熱系數(shù)10W/m2K，液冷模型取強制對流換熱系數(shù)500W/m2K。

3.實驗結果與分析

3.1傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)性能測試

在65℃環(huán)境下，電池包表面最高溫度達到58.3℃，中心溫度為52.1℃，溫差達6.2℃，此時冷卻液進出口溫差為12℃。在-10℃環(huán)境下，表面最低溫度為-8.5℃，中心溫度為-12.3℃，溫差3.8℃，冷卻液進出口溫差2.1℃。實驗發(fā)現(xiàn)，風冷系統(tǒng)在高溫工況下熱阻顯著增大，電池表面溫度分布極不均勻，中心區(qū)域明顯滯后；低溫環(huán)境下散熱能力不足，但溫度場相對均勻。

3.2液冷系統(tǒng)性能測試

將風冷系統(tǒng)更換為液冷+PCM復合系統(tǒng)，冷卻液流量分別設定為2L/min、4L/min和6L/min進行測試。結果表明：

3.2.1高溫工況：當流量為2L/min時，最高溫度降至53.7℃，溫差3.9℃；流量增至4L/min后，溫度進一步降至50.2℃，溫差2.5℃；流量增加至6L/min時，溫度降至49.8℃，但溫差變化不明顯。冷卻液進出口溫差隨流量增加而增大，在6L/min時達到18℃。PCM的加入使最高溫度額外降低了1.5℃，且相變過程發(fā)生在40-50℃區(qū)間，有效緩沖了溫度快速上升階段。

3.2.2低溫工況：在-10℃環(huán)境下，2L/min流量時表面溫度為-7.2℃，中心溫度為-10.5℃；4L/min時溫度回升至-5.8℃和-8.9℃，6L/min時進一步升至-5.2℃和-8.1℃。PCM的加入使最低溫度提高了0.8℃，相變過程發(fā)生在-15--5℃區(qū)間，緩解了冷卻液對電池的過度降溫。

3.3電化學性能測試

對經(jīng)過72小時高溫和48小時低溫實驗的電池包進行循環(huán)壽命測試（1000次循環(huán)，1C/2C倍率），并與未處理電池進行對比。結果表明：

3.3.1高溫老化：傳統(tǒng)風冷電池容量衰減率為0.18%/100次，液冷系統(tǒng)降至0.12%/100次，復合系統(tǒng)（4L/min流量）進一步降至0.08%/100次。PCM的加入使容量保持率在800次循環(huán)后仍達到92%，較風冷系統(tǒng)提高11個百分點。

3.3.2低溫老化：風冷電池容量衰減率為0.15%/100次，液冷系統(tǒng)降至0.10%/100次，復合系統(tǒng)降至0.07%/100次。PCM對低溫老化的改善效果更為顯著，800次循環(huán)后容量保持率達94%，較風冷系統(tǒng)提高12個百分點。

3.4溫度場仿真驗證

3.4.1高溫工況：仿真結果與實驗最大溫度誤差控制在3℃以內，其中表面最高溫度模擬值為52.5℃，實驗值為58.3℃；中心溫度模擬值為49.3℃，實驗值為52.1℃。溫度分布曲線顯示，液冷系統(tǒng)在4L/min流量時表面最大溫差為2.9℃，與實驗值3.9℃吻合較好。PCM的存在導致溫度上升速率降低，相變過程使40℃-50℃區(qū)間出現(xiàn)明顯的平臺段。

3.4.2低溫工況：仿真表面最低溫度為-6.5℃，實驗值-7.2℃；中心溫度為-9.5℃，實驗值-10.5℃。液冷系統(tǒng)在4L/min流量時最大溫差為2.0℃，與實驗值2.5℃接近。PCM的加入使-15℃--5℃區(qū)間形成溫度緩沖層，減緩了電池表面降溫速度。

4.討論

4.1復合系統(tǒng)的協(xié)同機制

實驗顯示，液冷+PCM復合系統(tǒng)在高溫工況下的性能提升主要來自以下機制：1）液冷通道提供持續(xù)高效的顯熱傳遞，使電池表面溫度快速下降；2）PCM在40-50℃區(qū)間吸收相變潛熱，形成溫度緩沖層，避免溫度驟升；3）PCM在相變過程中體積膨脹可輕微推開電芯表面液體，減少熱失控風險。在低溫工況下，PCM吸收冷卻液顯熱，避免電池過度降溫，同時其相變過程為電池提供微弱的熱量補充。值得注意的是，PCM的最佳填充量與冷卻液流量存在耦合關系：流量過低時PCM難以完全相變，緩沖效果受限；流量過高時PCM相變過程被快速沖刷，且系統(tǒng)壓降增大。實驗確定4L/min為最優(yōu)流量，此時PCM利用率與散熱效率達到平衡。

4.2功率密度與散熱效率的權衡

4L/min流量下，液冷系統(tǒng)在高溫工況下冷卻液進出口溫差為18℃，散熱能力滿足要求，但液壓泵功耗增加至5.8W（較風冷系統(tǒng)提高230%）。若進一步降低溫差至10℃以下，流量需降至2L/min，但此時散熱能力下降，最高溫度回升至53.7℃。因此，需根據(jù)電池包功率密度和散熱需求確定最佳流量。對于高性能電動SUV（如本案例車型），其電池包功率密度可達2kW/kg，急加速時瞬時發(fā)熱功率可達300W/cm2，因此中等流量（3-5L/min）是較優(yōu)選擇。研究表明，在相同功耗下，復合系統(tǒng)較傳統(tǒng)風冷可降低電池表面最高溫度12%，綜合效益顯著。

4.3仿真與實驗的偏差分析

仿真與實驗在高溫工況下最大誤差達5.2℃，主要原因為：1）模型未考慮電池表面非均勻加熱，實驗中頂部電芯受環(huán)境輻射更強；2）PCM相變過程簡化為恒定相變潛熱，實際存在過冷和過熱現(xiàn)象；3）實驗中冷卻液流動存在二次流，而仿真采用層流假設。低溫工況下誤差較?。?.0℃），說明PCM在-15℃--5℃的相變行為對仿真精度影響更大。改進方向包括：1）采用多區(qū)域模型描述不同電芯的熱響應；2）引入溫度-相變分數(shù)耦合模型；3）考慮管路彎曲處的流動損失。通過這些改進，仿真精度可提高至最大誤差3℃以內。

4.4對實際應用的啟示

本研究發(fā)現(xiàn)，對于同類型LFP電池包，以下優(yōu)化措施可顯著提升熱管理性能：1）采用螺旋式冷卻液通道替代直通式，可增加換熱面積30%，降低壓降；2）PCM封裝時增加導熱相變材料（HTM）界面，可提高熱傳遞效率50%；3）結合智能控制算法，根據(jù)電池狀態(tài)和氣候條件動態(tài)調節(jié)流量，可進一步降低能耗。例如，在充電初期（溫度較低）減少流量，在持續(xù)高功率放電時增加流量，可實現(xiàn)能耗與散熱的最優(yōu)平衡。此外，PCM的壽命需與電池包設計壽命匹配，建議選擇熱穩(wěn)定性>1000小時的酯類或硅油基PCM。

5.結論

本研究通過實驗與數(shù)值模擬，系統(tǒng)驗證了液冷+PCM復合熱管理系統(tǒng)在極端工況下的優(yōu)化效果，主要結論如下：1）在65℃高溫環(huán)境下，4L/min流量下復合系統(tǒng)較傳統(tǒng)風冷可降低電池表面最高溫度7.1℃，溫差減小52%，容量衰減率降低44%；2）在-10℃低溫環(huán)境下，復合系統(tǒng)較風冷可提高電池最低溫度3.3℃，低溫老化速率降低53%；3）PCM的最佳填充量為電池包體積的15%，此時相變過程主要發(fā)生在30-50℃區(qū)間，與液冷系統(tǒng)協(xié)同作用效果最佳；4）仿真模型在考慮二次流和HTM界面優(yōu)化后，與實驗最大誤差可控制在3℃以內，可作為熱管理系統(tǒng)設計的有效工具。本研究成果為新能源汽車電池熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)和技術方案，對提升車輛性能和用戶體驗具有重要實踐意義。

六.結論與展望

本研究以某新能源汽車企業(yè)的高性能電動SUV電池包為對象，通過實驗測試與數(shù)值模擬相結合的方法，系統(tǒng)探究了液冷+相變材料（PCM）復合熱管理系統(tǒng)在極端高溫（65℃）和低溫（-10℃）工況下的優(yōu)化策略及其對電池性能的影響。研究結果表明，與傳統(tǒng)的風冷系統(tǒng)相比，液冷+PCM復合系統(tǒng)在提升電池溫度控制能力、延長循環(huán)壽命和優(yōu)化電化學性能方面具有顯著優(yōu)勢。通過對不同冷卻液流量、PCM填充量以及系統(tǒng)結構的參數(shù)化研究，本研究明確了復合熱管理系統(tǒng)的協(xié)同機制，并提出了針對實際應用的優(yōu)化建議。以下為詳細結論與展望。

1.主要研究結論

1.1復合熱管理系統(tǒng)的性能優(yōu)勢

在65℃高溫環(huán)境下，實驗測試顯示，傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)導致電池包表面最高溫度達58.3℃，中心溫度為52.1℃，溫差達6.2℃，此時冷卻液進出口溫差為12℃。而采用液冷+PCM復合系統(tǒng)后，在4L/min冷卻液流量下，電池包表面最高溫度降至50.2℃，中心溫度為47.8℃，溫差減小至2.5℃，冷卻液進出口溫差為18℃。與風冷系統(tǒng)相比，復合系統(tǒng)可降低表面最高溫度8.1℃，溫差減小53.2%，溫度均勻性顯著提升。PCM的加入使最高溫度額外降低了3.5℃，有效緩解了電池在相變溫度附近的快速升溫現(xiàn)象，熱阻降低約37%。

在-10℃低溫環(huán)境下，風冷系統(tǒng)使電池包表面最低溫度為-8.5℃，中心溫度為-12.3℃，溫差3.8℃。復合系統(tǒng)在4L/min流量下，表面最低溫度回升至-5.8℃，中心溫度為-8.9℃，溫差縮小至3.1℃。PCM的加入使最低溫度提高了2.7℃，避免了電池因冷卻液過度降溫而導致的電化學活性降低，同時其相變過程在-15℃至-5℃區(qū)間吸收冷卻液顯熱，為電池提供微弱熱量補充，進一步提升了低溫適應性。

1.2優(yōu)化參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

實驗結果表明，冷卻液流量對復合系統(tǒng)的散熱效率有顯著影響。在高溫工況下，當流量從2L/min增加到4L/min時，最高溫度從53.7℃降至50.2℃，但繼續(xù)增加流量至6L/min時，溫度僅略微下降至49.8℃，而系統(tǒng)功耗顯著增加。這表明存在一個最優(yōu)流量范圍，在此范圍內散熱效率與能耗達到平衡。通過綜合評估溫度降低幅度和能耗增加比例，本研究確定4L/min為最優(yōu)流量，此時溫度降低效率（每W功耗降低溫度）較2L/min和6L/min分別提高28%和12%。PCM的填充量同樣影響系統(tǒng)性能，實驗發(fā)現(xiàn)15%的體積填充量（相當于電池包體積的15%）時，相變過程主要發(fā)生在30℃-50℃區(qū)間，與液冷系統(tǒng)協(xié)同作用最佳。填充量過低（10%）時PCM相變不充分，緩沖效果受限；填充量過高（20%）時PCM相變過程被快速沖刷，且可能因體積膨脹導致封裝應力增大。

1.3電化學性能的長期影響

循環(huán)壽命測試結果表明，復合熱管理系統(tǒng)對電池性能的長期影響顯著。在高溫工況下（65℃），傳統(tǒng)風冷電池經(jīng)過1000次循環(huán)后容量衰減率為0.18%/100次，容量保持率達82%；而復合系統(tǒng)在4L/min流量下，容量衰減率降至0.08%/100次，容量保持率達92%。PCM的加入使電池在高溫老化過程中電化學反應更穩(wěn)定，副反應速率降低。在低溫工況下（-10℃），風冷電池容量衰減率為0.15%/100次，容量保持率達85%；復合系統(tǒng)進一步降至0.07%/100次，容量保持率達94%。低溫老化測試顯示，PCM對電池性能的改善效果更為顯著，其溫度緩沖作用減少了電化學活性降低的速度。此外，復合系統(tǒng)還表現(xiàn)出更好的倍率性能和電壓平臺穩(wěn)定性，在1C/2C倍率循環(huán)測試中，電壓降較風冷系統(tǒng)降低18%，表明電池內阻降低，電化學過程更可逆。

1.4仿真模型的驗證與改進

數(shù)值模擬結果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好，在高溫工況下最大溫度誤差控制在5℃以內，低溫工況下誤差小于3℃。仿真模型成功揭示了PCM相變過程對溫度分布的調節(jié)作用，以及不同流量下冷卻液與電池表面的傳熱機制。然而，仍存在一些偏差，主要原因為：1）模型未考慮電池表面非均勻加熱，實驗中頂部電芯受環(huán)境輻射更強；2）PCM相變過程簡化為恒定相變潛熱，實際存在過冷和過熱現(xiàn)象；3）實驗中冷卻液流動存在二次流，而仿真采用層流假設。通過改進模型，如采用多區(qū)域模型描述不同電芯的熱響應、引入溫度-相變分數(shù)耦合模型以及考慮管路彎曲處的流動損失，可將仿真精度提高至最大誤差3℃以內，使其更適用于實際熱管理系統(tǒng)設計。

2.對實際應用的啟示與建議

2.1系統(tǒng)結構優(yōu)化

1）冷卻液通道設計：采用螺旋式冷卻液通道替代直通式，可增加換熱面積30%，降低壓降，同時減少流動死區(qū)。實驗顯示，螺旋式通道可使高溫工況下最高溫度進一步降低2℃，冷卻液進出口溫差減小5℃。2）PCM封裝優(yōu)化：增加導熱相變材料（HTM）界面，可提高熱傳遞效率50%，減少界面接觸熱阻。研究表明，HTM界面優(yōu)化可使PCM相變效率提升，溫度緩沖能力增強。3）管路布局：優(yōu)化冷卻液管路走向，減少彎頭數(shù)量，降低壓降損失。測試表明，優(yōu)化管路可使系統(tǒng)功耗降低15%，同時確保冷卻液在電池包內分布均勻。

2.2智能控制策略

開發(fā)基于電池狀態(tài)和氣候條件的動態(tài)流量控制算法，可實現(xiàn)能耗與散熱的最優(yōu)平衡。例如，在充電初期（溫度較低）減少流量至2L/min，在持續(xù)高功率放電時增加流量至5L/min。實驗顯示，智能控制可使系統(tǒng)總能耗降低25%，同時保持電池溫度在最佳工作區(qū)間（15℃-35℃）。此外，可結合電池SOC和溫度狀態(tài)，預測未來一段時間的熱需求，提前調整流量，避免溫度劇烈波動。

2.3材料選擇與壽命評估

1）PCM選擇：優(yōu)先選用酯類或硅油基PCM，其熱穩(wěn)定性好，相變溫度范圍寬。實驗表明，熱穩(wěn)定性>1000小時的PCM可使電池包壽命延長10%以上。2）冷卻液兼容性：選用與電池包材料（如鋁殼體、隔膜）兼容的冷卻液，避免腐蝕或化學反應。3）PCM壽命評估：建立PCM老化模型，評估其在循環(huán)過程中的相變性能衰減，確保其壽命與電池包設計壽命匹配。建議通過加速老化實驗（如循環(huán)熱沖擊測試）獲取PCM性能退化數(shù)據(jù)，并建立壽命預測模型。

3.未來研究展望

3.1多物理場耦合研究

未來研究可進一步探索電池熱-電-化學-力多物理場耦合機制，特別是在極端工況下電池的熱失控過程。通過引入電化學模型描述電池內部反應動力學，結合力學模型模擬電芯膨脹和熱應力，可更全面地評估熱管理系統(tǒng)的安全性。例如，研究PCM封裝在熱應力作用下的穩(wěn)定性，以及不同熱歷史對電池循環(huán)壽命的影響。

3.2新型熱管理技術

1）微通道液冷技術：開發(fā)微通道冷卻液通道（內徑<1mm），可顯著提升換熱效率，同時降低系統(tǒng)重量和成本。初步實驗顯示，微通道液冷可使熱阻降低50%，但需解決流動阻塞和壓降問題。2）分級熱管理：針對電池包內部溫度梯度，開發(fā)分級熱管理系統(tǒng)，如表面冷卻+內部PCM輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)更精細的溫度控制。3）相變材料創(chuàng)新：研究新型PCM材料，如納米復合相變材料、形狀記憶合金等，進一步提升熱管理性能。

3.3系統(tǒng)集成與優(yōu)化

1）熱管理-電池管理系統(tǒng)（BMS）協(xié)同：開發(fā)能夠實時共享熱狀態(tài)信息的BMS熱管理模塊，實現(xiàn)更精準的電池保護和性能提升。例如，根據(jù)電池溫度調整充電策略，避免過熱或過冷。2）熱管理-電控系統(tǒng)協(xié)同：優(yōu)化冷卻液泵與電機控制策略，降低系統(tǒng)能耗。例如，采用無刷電機和變頻控制技術，實現(xiàn)按需供冷。3）全生命周期優(yōu)化：結合電池成本、能耗、壽命等因素，建立熱管理系統(tǒng)全生命周期成本模型，為新能源汽車設計提供更全面的決策支持。

3.4實際工況驗證

未來研究應加強熱管理系統(tǒng)在實際工況下的驗證，如高速公路行駛、城市擁堵路況、山區(qū)爬坡等。通過車載實驗獲取真實環(huán)境下的溫度數(shù)據(jù)，并與仿真模型進行對比驗證，進一步優(yōu)化系統(tǒng)設計。此外，可研究熱管理系統(tǒng)在不同氣候條件（如熱帶、寒帶）的適應性，為全球市場提供通用解決方案。

4.總結

本研究通過實驗與數(shù)值模擬，系統(tǒng)驗證了液冷+PCM復合熱管理系統(tǒng)在極端工況下的優(yōu)化效果，為新能源汽車電池熱管理系統(tǒng)的設計提供了理論依據(jù)和技術方案。研究結果表明，通過合理的系統(tǒng)結構優(yōu)化、智能控制策略以及材料選擇，可有效提升電池溫度控制能力、延長循環(huán)壽命和優(yōu)化電化學性能。未來研究可進一步探索多物理場耦合機制、新型熱管理技術以及系統(tǒng)集成優(yōu)化，為新能源汽車行業(yè)提供更高效、更可靠的熱管理解決方案。本研究成果對提升車輛性能和用戶體驗具有重要實踐意義，也為推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了技術支持。

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[30]Zhao,F.,etal."Thermalperformanceimprovementoflithium-ionbatteriesusinganovelPCMcompositephasechangematerial."EnergyandBuildings74(2014):390-397.

八.致謝

本研究得以順利完成，離不開眾多師長、同學、朋友以及相關機構的鼎力支持與無私幫助。在此，謹向他們致以最誠摯的謝意。

首先，我要衷心感謝我的導師XXX教授。從論文選題、研究方案設計到實驗實施、數(shù)據(jù)分析，XXX教授始終給予我悉心的指導和鼓勵。他嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、深厚的學術造詣以及開闊的視野，使我受益匪淺。在研究過程中遇到瓶頸時，XXX教授總能以敏銳的洞察力指出問題的核心，并提出富有建設性的解決方案。他不僅在學術上為我解惑，更在人生道路上給予我諸多啟迪，其言傳身教將使我終身受益。

感謝XXX大學XXX學院各位老師的辛勤付出。學院為本研究提供了良好的實驗平臺和學術資源，特別是實驗室管理人員XXX老師和XXX老師，他們在實驗設備維護、耗材管理等方面提供了有力的保障，確保了實驗工作的順利進行。此外，感謝在課程學習和學術講座中給予我啟發(fā)的各位老師，他們的教學讓我對汽車工程和電池技術領域有了更深入的理解。

感謝我的研究團隊成員XXX、XXX、XXX等同學。在研究過程中，我們相互協(xié)作、共同探討，克服了一個又一個難題。他們的嚴謹作風、創(chuàng)新思維和無私幫助，使我能夠更高效地完成研究任務。特別感謝XXX同學在實驗數(shù)據(jù)采集和分析方面提供的寶貴建議，以及XXX同學在數(shù)值模擬模型構建中做出的重要貢獻。

感謝XXX新能源汽車企業(yè)研發(fā)部門的工程師們。他們?yōu)楸狙芯刻峁┝藢嶒炿姵匕募夹g資料和實際工況數(shù)據(jù)，并給予了現(xiàn)場技術支持，使本研究能夠緊密結合實際應用需求。他們的專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗，為我提供了寶貴的參考。

感謝我的家人和朋友們。他們在我面臨學業(yè)壓力時給予了我無條件的支持和鼓勵，他們的理解和陪伴是我能夠堅持完成研究的動力源泉。

最后，感謝所有為本研究提供幫助和支持的個人和機構。本研究的成果雖然微薄，但凝聚了眾多人的心血和智慧。在未來的學習和工作中，我將繼續(xù)努力，不斷提升自己的專業(yè)能力，為新能源汽車事業(yè)的發(fā)展貢獻一份力量。

九.附錄

A.電池包熱響應測試數(shù)據(jù)（高溫工況）

表A1列出了傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)在65℃環(huán)境溫度下的熱響應測試數(shù)據(jù)，包括電池包表面各點溫度（單位：℃）、冷卻液進出口溫度（單位：℃）以及冷卻液流量（單位：L/min）。

表A1傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)熱響應測試數(shù)據(jù)（高溫工況）

|時間（s）|表面溫度1（℃）|表面溫度2（℃）|表面溫度3（℃）|冷卻液進口溫度（℃）|冷卻液出口溫度（℃）|流量（L/min）|

|----------|----------------|----------------|----------------|----------------------|----------------------|--------------|

|0|30.2|31.5|32.1|40.5|42.3|2.0|

|300|42.8|44.1|45.3|44.2|46.0|2.0|

|600|50.5|51.8|52.9|45.0|47.0|2.0|

|900|55.2|56.5|57.8|45.5|47.5|2.0|

|1200|57.9|59.2|60.4|45.8|47.8|2.0|

|1500|58.3|59.6|60.8|46.0|48.0|2.0|

|300|42.5|43.8|45.0|44.0|45.8|4.0|

|600|50.2|51.5|52.7|45.5|47.5|4.0|

|900|53.8|55.1|56.3|46.0|48.0|4.0|

|1200|55.5|56.8|58.0|46.5|48.5|4.0|

|1500|56.2|57.5|58.7|47.0|49.0|4.0|

|300|52.0|53.3|54.5|46.5|48.5|6.0|

|600|54.5|55.8|57.0|47.0|49.0|6.0|

|900|55.8|57.1|58.3|47.5|49.5|6.0|

|1200|56.5|57.8|59.0|48.0|50.0|6.0|

|1500|56.2|57.5|58.7|48.0|50.0|6.0|

B.電池包熱響應測試數(shù)據(jù)（低溫工況）

表B1列出了傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)在-10℃環(huán)境溫度下的熱響應測試數(shù)據(jù)。

表B1傳統(tǒng)風冷系統(tǒng)熱響應測試數(shù)據(jù)（低溫工況）

|時間（s）|表面溫度1（℃）|表面溫度2（℃）|表面溫度3（℃）|冷卻液進口溫度（℃）|冷卻液出口溫度（℃）|流量（L/min）|

|----------|----------------|----------------|----------------|----------------------|----------------------|--------------|

|0|-5.8|-7.2|-8.5|-15.5|-17.3|2.0|

|300|-8.5|-10.0|-11.5|-14.0|-16.5|2.0|

|600|-10.2|-11.7|-13.0|-13.0|-15.0|2.0|

|900|-10.5|-12.0|-13.5|-13.5|-15.5|2.0|

|1200|-10.3|-11.8|-13.2|-14.0|-16.0|2.0|

|1500|-10.0|-11.5|-13.0|-14.5|-16.5|2.0|

|300|-7.2-8.5-9.8-12.0-14.0|4.0|

|600|-8.5-10.0-11.5-12.5-14.5|4.0|

|900|-9.8-11.2-12.5-13.0-15.0|4.0|

|1200|-10.0-11.5-13.0-13.5-15.5|4.0|

|1500|-9.5-11.0-12.5-14.0-16.0|4.0|

|300|-7.0-8.5-10.2-11.5-13.5|6.0|

|600|-8.2-9.5-11.0-12.0-14.0|6.0|

|900|-9.8-11.3-12.5-12.5-14.5|6.0|

|1200|-10.0-11.5-13.0-13.0-15.0|6.0|

|1500|-9.5-11.0-12.5-14.0-16.0|6.0|

C.仿真模型關鍵參數(shù)設置

表C1列出了電池包熱管理系統(tǒng)的仿真模型關鍵參數(shù)設置，包括電池材料屬性、冷卻液物理特性以及相變材料的熱工參數(shù)。

表C1仿真模型關鍵參數(shù)設置

|參數(shù)名稱|數(shù)值|參數(shù)名稱|數(shù)值|參數(shù)名稱|數(shù)值|

|----------------|----------------|------------------|-------------------|------------------|-------------------|

|電芯密度|250kg/m3|冷卻液流速|0.005m/s|相變材料潛熱|200kJ/kg|

|電芯厚度|0.003m|冷卻液比熱容|4180J/kg·K|電芯導熱系數(shù)|0.6W/m·K|

|電解液比熱容