新能源汽車電池熱管理系統優化研究

中圖分類號：U461 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.01.002

Optimization ResearchonThermal ManagementSystemforNew Energy Vehicle Batteries

Abstract：Aimingatthetemperaturecontrolrequirementsofpowerbatteriesinnewenergyvehiclesduringoperation，athermal managementsystembasedonliquidcoolingwasdesigned.Thethermalcharactersticsandtemperaturedistributionofthebattery wereanalyzedthroughacombinationoftemperaturefieldtestingandnumericalsimulation，andanumericalmodelofthethermal managementsystemwasestablished.Theresultsshowthattheoptimizedserpentinechannelstructureimprovedthetemperature uniformity of the battery pack by 23% ，with the maximum temperature difference reduced to 3.2^°C .The system achieved optimal heat disipationperformancewhenthecooantflowratewas4.8L/in.Experimentalresultsdemonstratethatisliquidcolingsystemcan effectivelycontrolbatterytemperatureand extend battery life.

/words：Newenergyvehicle;Powerbattery;Thermalmanagementsystem;Temperatureuniformity;Channeloptimiza

0引言

動力電池是新能源汽車的核心部件，其性能和壽命直接影響整車的性能。電池在充放電過程中會產生大量熱量，溫度過高會導致性能衰減、壽命縮短，甚至可能引發安全事故[1。因此，高效的熱管理系統對于維持電池的最佳工作溫度、延長使用壽命具有重要意義。現有研究表明，液冷系統具有散熱效率高、溫度控制精確等優勢，但在實際應用中仍面臨溫度分布不均勻、系統能耗高等問題。因此，深入研究液冷系統的優化方案，對于提升新能源汽車動力電池系統的性能具有重要的理論意義和實用價值。

動力電池熱管理技術是新能源汽車安全可靠運行的關鍵，適宜的工作溫度能夠提升電池性能并延長使用壽命[2。空冷系統通過強制對流換熱實現電池的散熱，具有結構簡單、成本低等特點，適用于低功率密度電池組。空冷系統的散熱效率為 ，溫度控制精度約為 ±3^°C_c 。液冷系統利用冷卻液作為熱載體，換熱效率可達 溫度控制精度達到 ±1^°C ，能滿足大功率密度電池組的散熱需求。

相變材料冷卻系統利用材料的相變潛熱吸收熱量，具有顯著的溫度控制效果，但導熱性能較差，長期使用易發生性能退化。直接接觸式熱管理系統采用浸沒式冷卻方式，散熱效率高，但存在絕緣和密封性問題。熱管散熱系統具有導熱系數高、結構緊湊等優點，在航天領域已得到廣泛應用，但成本較高，制造工藝復雜。綜合各類熱管理方式的特點，液冷系統因其散熱效率高、溫度控制精確、適應性強等優勢，已成為大功率動力電池熱管理的主流方案[3。實際應用數據顯示，液冷系統能使電池溫度保持在最佳工作區間 125-35^°C ），溫度均勻性控制在 3^°C 以內，有效延長電池循環壽命 15%～20% 。

1新能源汽車熱管理方式與應用

2動力電池熱特性建模

2.1溫度場分布規律

動力電池在充放電過程中產生的熱量包括焦耳熱、極化熱和副反應熱。電池產熱量的計算公式如下：

式中 O 一總產熱量，W—電流，AR——內阻， Ω

T——溫度，KU——端電壓，VE——開路電壓，V

實驗測試表明，在1C倍率充放電工況下，電池表面溫度呈現出明顯的時空分布特征。電池中心區域的溫度最高，達到45^°C ，而邊緣區域的溫度較低，約為 35^°C_c ，熱成像分析進一步顯示，電極引出端存在明顯的熱點，溫度比周圍區域高出 。電池的熱特性隨充放電倍率的變化顯著，3C倍率下的熱流密度達到1C倍率時的2.8倍。電池內部的溫度場呈現出各向異性，垂直于電極方向的導熱系數 （15W/m?K） 遠大于平行方向的導熱系數 （3W/m?K） 。電池組的熱累積效應明顯，中心電池的溫度比邊緣電池高出 2～3^°C ，導致性能和壽命的不均勻性。在動態工況下，溫升速率與放電深度呈非線性關系，SOC在 20%～80% 區間內，溫升速率相對穩定，而低于 20% 時，溫升會加快。在長時間的循環充放電過程中，電池的熱阻隨循環次數的增加而升高，經過500次循環后，熱阻增加約 12% 散熱性能逐漸降低。對溫度場的數據分析發現，電池表面的溫度分布符合二維高斯分布，熱源中心隨充放電過程動態變化，熱擴散系數在不同方向上差異達到 3～5 倍。

2.2散熱系統參數計算

散熱系統參數的計算基于能量守恒原理和傳熱學理論[4，主要采用努塞爾數的計算公式：

Nu=0.023Re^0.8Pr^0.4

式中Nu——努塞爾數Re——雷諾數Pr——普朗特數

傳熱過程涉及導熱、對流和輻射3種方式，其中對流傳熱占主導地位，約占總傳熱量的 85% 。冷卻液的流動采用強制對流換熱，努塞爾數的計算采用Dittus-Boelter公式，并考慮了流道彎曲和入口效應的影響對公式進行了修正。如圖1所示，傳熱系數隨流量的增加而呈非線性增長，在 內增長趨勢趨于平緩，超過 6L/min 后增長變得緩慢。綜合考慮后，確定最優的工作流量為 4.8L/min 當雷諾數處于層流到湍流的過渡區時，傳熱系數會出現明顯的躍變，臨界雷諾數約為 2300 傳熱系數的計算結果顯示，在設計工況下，對流換熱系數達到2800W/m²?K 壓力損失的計算考慮了沿程損失和局部損失，總壓降隨流量的1.75次方增加。熱阻網絡分析表明，界面接觸熱阻占總熱阻的 30% ，通過增加接觸壓力和導熱材料可以降低接觸熱阻。散熱功率的計算采用修正的牛頓冷卻公式，修正系數通過實驗標定獲得。在瞬態工況下，系統響應特性受熱容的影響顯著，熱時間常數約為 280s 。計算結果表明，在最大散熱負荷下，系統的散熱能力達到1200W，滿足3C倍率充放電的需求。為了防止共振，壓力脈動和流體振動的分析采用聲學模型，確保系統的固有頻率避開激振頻率。

2.3數值仿真模型構建

數值模型采用商用CFD軟件ANSYSFluent進行建立。計算域包括電池、冷卻板以及流道區域，網格劃分采用結構化方法[5。通過網格獨立性分析得出，當總網格數超過200萬時，溫度場的計算結果變化小于 1% 。為了確保計算精度，邊界層網格特別采用了15層的結構化網格，以確保 y+ 值小于1。

湍流模型選用 模型，壁面處理采用增強壁面函數。控制方程涵蓋連續性方程、動量方程、能量方程以及湍流輸運方程。溫度依賴的物性參數通過用戶自定義函數（UDF）實現。求解器采用SIMPLE算法，壓力項采用PRESTO格式進行離散，動量和能量方程采用二階迎風格式。收斂判據設定為殘差小于 10^-4 ，能量方程殘差小于 10^-6 。

模型驗證通過對比實驗數據完成，溫度預測誤差在 圍內。動態工況模擬采用動網格技術，時間步長設置為 0.1s ，總計算時間為 1800s. 。流固耦合邊界采用非等構網格技術，以提高計算效率。

模型計算結果可以輸出溫度場、流場和壓力場的分布，為系統優化提供數據依據。網格畸變質量控制在0.85以上，以確保計算精度。在湍流模型的驗證過程中，對比了標準 k-ε /RNG k-ε 和SST k-ω3 種模型，最終選擇了預測精度最高的 模型。

3液冷系統結構設計

3.1流道構型與布局

電池冷卻流道結構采用優化的平行蛇形布局，由主流道和多條并行支流道組成。主流道橫截面積為 25mm² ，支流道橫截面積為 8mm² ，支流道間距為 20mm ，寬深比為 1 . 5 。流道轉彎段采用漸變截面設計，轉彎半徑為 10mm ，并引入導流筋以降低局部阻力。流道的深寬比在 0.6～0.8 范圍內時，可獲得較好的綜合性能。冷卻板采用6061鋁合金材料，表面粗糙度為Ra1.6，并經過陽極氧化處理以提高耐蝕性。進出口區域設計有擴散段，以降低流速并防止沖刷。冷卻板表面設計為槽道結構，槽深為 0.2mm ，間距為 0.5mm ，以提高傳熱面積和換熱效率。有限元分析結果顯示，在1.5MPa工作壓力下，最大應力為 78MPa ，安全系數為2.8。流場分析結果表明，優化后的流道結構使流量分配均勻性達到 92% ，溫差控制在 3.2^°C 以內，傳熱性能較優化前提升了 22% 。

3.2流體參數確定

冷卻液選用乙二醇水溶液，質量分數為 30% ，導熱系數為0.415W/m·K，密度為 ，比熱容為 3.56kJ/kg?K_o 流量參數的優化基于多目標權重法，綜合考慮了溫度控制精度和系統能耗。實驗數據顯示，在 的流量范圍內，傳熱系數與流量的0.8次方成正比。最優流量確定為 此時雷諾數為4200，換熱系數 ，壓降為32kPa。在動態工況下，采用變流量控制策略，低負載工況流量為3.5L/min，高負載工況下流量為5.5L/min。系統工作壓力設計為0.8MPa，并考慮了 20% 的裕度。流體振動分析顯示，在額定工況下，流體脈動頻率為 15Hz ，低于系統固有頻率 45Hz ，避免了共振風險。長期運行測試驗證了流體參數的可靠性，泵功耗較優化前降低了 25% ，系統能效比提升了 18% 。

3.3溫度控制方案

溫度控制系統采用分層結構設計，實現流量和溫度的協同控制。控制器基于模型預測控制算法，建立系統狀態預測模型，控制周期為 ，預測時域為 30s 進口溫度控制在 22±0.5^°C 范圍內，使電池工作溫度穩定在 25～35^°C 。溫度響應時間常數測試顯示，升溫過程為 280s ，降溫過程為 320s 采用前饋-反饋復合控制策略，根據環境溫度和電池負載預測進口溫度需求，控制精度達到 ±0.3^°C 執行器采用PWM調制，泵轉速和閥門開度可精確調整。故障診斷模塊通過溫度傳感器數據進行實時監測，識別準確率為 95% 。系統響應測試結果表明，溫度超調量小于 1^°C， 調節時間小于180s，穩態誤差小于 0.2^°C_Φ 在極限工況測試中，系統能夠快速響應負載變化，維持電池溫度在安全范圍內。

4系統性能評估

4.1溫度均勻性驗證

系統溫度均勻性測試在恒溫實驗室 125±1^°C ）中進行，采用32通道溫度采集系統來記錄電池表面溫度。測試結果顯示（如表1所示），優化后的系統在1C倍率充放電工況下，電池組最大溫差降至 3.2^°C ，溫度分布均勻性提高 23% 。電池表面溫度分布云圖分析表明， 95% 以上的區域溫差控制在 2.5^°C 以內。電池組中心與邊緣的溫差從原設計的 4.8^°C 降低至 動態工況測試結果表明，在NEDC工況下，溫度場分布均勻性隨負載變化的波動小于 8% ，溫度響應曲線平穩。在3C倍率快充工況下，最大溫差增加至 4.5^°C ，但仍滿足設計要求。-20^°C 低溫啟動工況中，電池組升溫均勻性表現良好，最大溫差為 3.8^°C 。多工況循環測試數據表明，溫度分布均勻性隨工況變化的標準差為 0.42^°C ，系統溫度控制穩定性得到了顯著提升。

4.2散熱效率測試

散熱效率測試在不同環境溫度和負載條件下進行。測試數據（如表2所示）表明，在 25^°C 環境溫度下，系統散熱功率達到 1200W_： ，滿足3C倍率充電的需求。換熱效率測試結果顯示，系統總傳熱系數達到 285W/m²?K ，較原設計提升32% 。能耗測試數據表明，優化后的系統在標準工況下泵功耗降低 25% ，制冷系統COP提高了0.8。壓力損失測試發現，系統總壓降從 45kPa 降低到 32kPa 。在高溫環境 145^°C ）下的散熱測試結果表明，系統仍能將電池溫度控制在 40^°C 以下，散熱裕度充足。在變工況測試中，系統散熱效率的波動范圍控制在 ±5% 以內，動態適應性良好。

4.3可靠性分析

液冷系統的可靠性測試在整車級實驗室進行，累計運行時長達3000h。泵的可靠性測試數據顯示，經過3000h運行后，流量衰減小于 3% ，噪聲僅增加1.2dB，性能衰減曲線保持平緩。密封性能測試采用溫度循環方式，在 -30～85^°C 的溫度范圍內循環100次后，系統未出現泄漏現象，密封圈的彈性保持率達到 92% 。振動測試包括正弦掃頻和隨機振動2種工況，振動頻率為 5～200Hz ，加速度 2g ，測試后系統結構保持完整，管路連接可靠。耐久性測試中，流道表面腐蝕速率控制在 0.01mm/ 年以內，陽極氧化層保持完整，耐蝕性滿足設計要求。熱疲勞測試經過500次循環后，冷卻板的最大變形量為0.08mm ，焊接接頭未出現裂紋，疲勞強度滿足設計要求。9個月的加速壽命試驗表明，系統的預期使用壽命可達8年以上，關鍵部件的失效概率低于 0.1% ，滿足整車的可靠性指標。

5結束語

通過對新能源汽車電池熱管理系統的深入研究，成功開發出一套優化的液冷散熱方案。改進后的系統在溫度均勻性、散熱效率以及能源利用等方面均取得了顯著提升。優化后的流道結構有效改善了冷卻液的流動分布，徹底解決了傳統系統中溫度分布不均的問題。同時，通過精確控制流量和進口溫度，實現了對電池溫度的精確調控。本研究成果為新能源汽車動力電池熱管理系統的設計提供了重要的技術支持和參考依據，對提升電池系統的性能和可靠性具有重大的實踐意義。

參考文獻

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（作者簡介：關愛如，通訊作者）

《關于加快推動班車客運定制服務創新發展的通知》解讀

為充分發揮道路客運在綜合運輸服務體系中的基礎性、銜接性、保障性作用，加快推進道路客運轉型發展。近日，交通運輸部辦公廳印發《關于加快推動班車客運定制服務創新發展的通知》（交辦運[2024]64號，以下簡稱《通知》）。為便于各地更好理解《通知》抓好貫徹落實，現就相關內容解讀如下：

一、出臺背景

近年來，各地積極推動發展定制客運，定制客運服務供給不斷豐富，服務保障能力持續增強，服務水平不斷提高。截至目前，全國已開通定制客運班線約6600條、投入運營車輛3萬余輛，定制客運“門到門，點到點”的競爭優勢逐步顯現。但與此同時，定制客運規模總體仍然較小，靈活便捷的優勢仍未充分發揮，亟需出臺加快推動定制客運創新發展的政策文件，持續激發道路客運市場內生動力和創新活力。為此，部在深入開展調研、座談研討等工作基礎上，制定印發《通知》部署各地加快構建靈活便捷、服務優質、安全可靠的定制客運服務體系，更好滿足人民群眾安全便捷出行需要。

二、主要內容

《通知》提出了5方面工作任務：

一是推動定制客運進火車站進機場進港口客運站。支持開通至火車站、機場、港口客運站的定制客運線路，發展旅客聯程運輸服務。加強多種運輸方式信息資源整合，探索推廣“一站式”出行服務。

二是大力發展場景化定制客運服務。鼓勵開通旅游、就醫、通勤、商務等多場景定制客運線路，探索定制客運與傳統農村班線客運相結合的運營模式，滿足群眾多元化出行需求。

三是科學優化定制客運運力結構。鼓勵經營者靈活調配車型大小適合、等級適配的營運客車，鼓勵各地結合實際出臺引導車輛更新和結構優化的相關支持政策。

四是持續提升定制客運服務水平。鼓勵經營者優化運營模式和服務產品，依法靈活設置停靠點，全面推廣應用電子客票。規范定制客運服務流程，暢通服務投訴和評價渠道，改善服務體驗。

五是切實加強定制客運安全生產管理。落實旅客行李物品安檢和實名制查驗要求，加強車輛動態監管，加大非法營運、網約車違規從事固定班線經營等行為的整治力度，維護道路客運市場良好秩序。

三、工作要求

《通知》要求，各地交通運輸主管部門要積極會同相關部門，協同推進定制客運發展。要簡化定制客運管理流程，積極培育服務品牌，提升服務水平。要及時總結和宣傳發展成效，積極營造定制客運發展良好環境。 （交通運輸部網站）