新能源車輛電池熱管理系統優化設計與性能研究

中圖分類號：U462 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.02.027

Abstract：Tegobalautomotiveindustryisacceleratingiselectrficatiotransformatio，andthepenetrationateofthenwenergy vehiclemarkethassignificantlyincreased.Teperfomanceofpowerbateriesisrucialforthernge，safetyandifespanofnw energyvehicles.Theprocessofbaterycharginganddischargingisaffctedbytemperaturehichcaneasilyladtocapacitydecay shortend ifespan，andthermal runawaysafetyrisks at extreme temperatures.BTMS isakeytechnologythat ensures batery performanceandsafetybypreciselyregulatingthetemperatureofthebaterypack.Proposeabaterythermalmanagementsystem solutionbasedulectivetizationntegratingCandliqidingtehnloydoptinginteligentpedictitrol andoptimizingeatflowfieldtoiproveatdisipationeficiencyergybnce，anddaptabilyeptizationpliely controls the temperature difference of the battery pack to ±2^°C ，reduces the temperature by 12% under high temperature conditions， and increases the preheatingefficiencyby 35% under low temperature conditions，greatly improving the working environment and providingtheoreticalandpracticalguidancefortheengineeringaplicatiooftheralmanagementtechnologyfornewenergyvehie batteries.

KeyWords：Newenergyvehicles;Baterythermalmanagementsystem;Phasechangematerials;Liquidcoledstructure;Model predictive control; Batteryperformance

0 引

新能源汽車發展推動高要求的動力電池性能提升。電池管理系統作為新能源汽車的“能量大腦”，不僅負責實時監控電池的狀態、溫度、電壓等多項關鍵參數，還通過智能調節來優化電池工作狀態，確保電池在最佳條件下運行1。2020年11月，國務院辦公廳印發了《新能源汽車產業發展規劃（2021＼～2035年）》，要求深入實施發展新能源汽車國家戰略，推動中國新能源汽車產業高質量可持續發展，加快建設汽車強國2。動力電池系統是新能源汽車動力核心，隨著國家政策和對新能源汽車技術要求不斷提高，對動力電池系統安全性要求更高，指導和推進企業研發出更加安全的電池系統以滿足國家政策要求和市場需求[3。鋰離子電池因高能量密度和長循環壽命而成為主流，但其工作溫度范圍狹窄（理想 25～40^°C ），對溫度均勻性要求高。電池組內單體溫差超過5 C 時加速衰減不均，致整體容量下降；溫度高于60 C 時化學反應加劇，出現風險熱失控；-20^°C （低溫）以下，電池容量衰減高達 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題的關鍵。

現有電池熱管理技術有空氣冷卻、液冷、相變材料冷卻及熱管/均熱板冷卻等幾種。其中，空氣冷卻系統結構簡單、成本低，但散熱效率與響應速度受限，難以適應高能量密度電池需求；液冷系統雖然強于熱量交換但管路復雜且能耗高；相變材料被動散熱性能穩定，但導熱系數低，需與其他散熱方式協同使用以彌補不足。傳統熱管理系統的PID控制策略在應對復雜工況時，表現出對溫度動態變化適應性不足的問題，進而影響系統能效與散熱效果的均衡。

為此，本文提出融合主動液冷與被動相變材料的復合熱管理方案；通過優化流道結構、設計材料配比及實施智能控制策略，可實現電池組溫度場均勻高效調控。本研究內容涵蓋系統建模、仿真優化與實驗驗證，旨在為提升新能源車輛的電池性能與安全性提供技術路徑。

1電池熱管理系統優化設計原理

1.1 復合散熱結構設計

（1）相變材料與液冷板耦合方案。

采用石蠟基相變材料（熔點 35^°C ，潛熱 210kJ/kg） 作為電池單體間散熱介質，通過相變過程調節熱量，穩定溫度。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，由泵體驅動主動導出熱量。多孔棱柱狀相變材料垂直于液冷板流道，構成三維導熱網絡，增強熱交換效率，通過增加接觸面積促進流體與相變材料的協同對流。

（2）流道結構優化。

通過CFD參數化建模，以流道尺寸變量優化電池組表面的溫度均勻性和壓降，實現多目標優化。正交試驗顯示：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^° 折彎角度的流道設計，可在降低流阻的同時最大化溫度均勻性，優化散熱效率與能耗。

1.2 智能預測控制策略

傳統PID控制在應對急加速、頻繁充放電等動態工況時，因固有參數限制，表現出對溫度突變響應滯后的特性。采用MPC算法集成電池熱模型及工況預測，實現實時優化冷卻液流量與泵體功率。具體步驟如下：

（1）建立電池熱模型：采用等效電路與傳熱學構建電池單體集總參數模型，描述其動態性能，并通過脈沖充放電實驗辨識關鍵參數。

（2）工況數據輸入：通過車載傳感器實時獲取車速、電池SOC、環境溫度，并集成云端地圖數據預測 10min 內行駛工況，以精確計算電池的功率需求和產熱速率。

（3）滾動優化控制：基于 30^°C 目標溫控、 2^°C 以內溫差及最低能耗設定優化目標，每 50ms 周期內解決含狀態與輸入約束的優化問題，輸出最優冷卻液流量與泵體轉速方案。

2系統性能仿真與實驗驗證

2.1 仿真模型建立

基于ANSYSFluent，構建包含24個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仿真模型。邊界條件設置如下：電池充放電電流在NEDC工況下調整，經歷 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 。材料參數設置為：電池和相變材料導熱系數分別為 1.2W/（m?K） 和 0.35W/（m?K） ，后者加入 10% 石墨烯后升至 1.8W/（m?K） ；液冷板由導熱系數205W/（m?K） 的鋁合金制成。

2.2 仿真結果分析

（1）高溫工況散熱性能。

優化復合系統使 45^°C 環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 以內。相變材料初期吸收熱量、抑制溫度上升，隨后液冷系統導出累積熱量，兩者耦合實現更均勻的溫度場分布。

（2）低溫工況預熱效果。

傳統液冷系統在 -10^°C 環境下需 45min 將電池組平均溫度提高至 5^°C ，單體溫差 4^°C ；優化系統，利用液冷板逆向加熱及相變材料， 29min 內使溫度達到目標，溫差降至 1^°C 以內。相變材料凝固釋放潛熱，有助于均勻調節電池表面溫度，降低局部過熱概率。

2.3實驗平臺搭建與測試

搭建實驗平臺，驗證仿真結果可靠性，包含電池組測試箱、溫控環境艙、液冷循環裝置及數據采集系統（精度 ±0.1°C|_o 三元鋰電池組（6S4P配置，額定容量 60Ah） 內，每個單體電池的正負極表面與相變材料層中均布置有傳感器。

（1）溫度均勻性測試。

優化3C放電工況下的電池組溫差至 1.8^°C ，較傳統液冷系統 ）有顯著提升。相變材料導熱增強結構與優化液冷流道協同作用，顯著提升了電池間熱傳導效率，有效減少了流動死區，確保了冷卻液分布的均勻性。

（2）能耗對比實驗。

MPC優化后，液冷系統NEDC工況下的平均功耗從120W降至85W，節能效果達 29.2% 。MPC算法預判工況變化，減少泵頻繁啟停和流量調節，實現能耗與散熱需求動態平衡。

3優化設計對電池性能的影響分析

3.1循環壽命提升

加速壽命測試 （45^°C 、1C循環）顯示，傳統熱管理系統中電池容量衰減至 80% 需320次循環；優化系統后提升至450次，壽命延長 40.6% 。溫度均勻性提升減小了單體電池衰減差異，避免個別單體過早失效引發整組容量下降；高溫下有效降溫抑制了SEI膜生長，延緩了活性材料損耗。

3.2 充放電效率優化

下充電時，傳統系統需 30min 預熱后升至0.5C，優化系統可直接 0.5C 充電，縮短時間 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同作用，快速建立適宜電化學反應溫度，減少極化內阻損耗。

3.3安全性能增強

優化熱擴散時間，由120s增至 360s_c ，相變材料與液冷系統協同工作，通過緊急散熱策略提升流量至2L/min，有效遏制熱失控，延長電池管理系統實施斷電保護的時間。

4結論與展望

本文提出創新方案：采用復合散熱結構與智能控制，優化新能源車輛電池熱管理。經對系統的理論分析、精細仿真優化與嚴謹實驗驗證協同作用，產出重要成果。

相變材料與液冷板耦合，顯著增強熱管理系統的溫度均勻性及散熱效率。在高溫環境下，電池組溫度降低 12% ，減緩熱應力；低溫下，預熱效率提升 35% ，縮短預熱時間，保障電池迅速啟動及高效運作。該設計解決了高能量密度電池溫控難題，確保穩定運行。

智能控制策略優化成效明顯。MPC智能策略優化系統，能顯著降低能耗與散熱，較傳統PID控制節能 29.2% 。MPC算法預判工況變動，顯著降低泵體頻繁啟停及流量過調，提升系統動態工況適應性與穩定性。

優化熱管理系統可顯著提升電池性能。電池循環壽命顯著提升，容量衰減至 80% 的循環次數從320次增加到450次，增幅達 40.6% 。低溫下電池充電時間縮短 25% ，能量效率達88% ，大幅提高使用效率。熱失控觸發實驗表明，電池熱擴散時間從120s延長至 360s ，大幅提升了安全性。

新能源汽車電池熱管理技術仍有廣闊發展空間。未來研究應聚焦電池老化模型與熱管理系統的協同優化，以實現全生命周期內溫度策略的自適應調整。建立精準電池老化模型并集成于熱管系統中，能夠動態優化溫控策略，有效延長電池壽命。

開發神經網絡工況預測算法，以提高模型預測控制的精度與實時性。神經網絡在復雜工況下能更精確地捕捉車輛運行特征。神經網絡算法能精準預測工況，提高MPC輸入可靠性，優化熱管理系統控制，加速并穩定系統響應。

采用新型散熱材料與微通道結構，優化系統能效密度。采用碳納米管相變材料、低熔點合金與微通道結構的新型散熱材料，能高效傳熱、實現緊湊設計，顯著提升系統能效密度，滿足新能源車輛對高性能熱管理系統的嚴格需求。

參考文獻

[1方明耀.新能源電池管理系統（BMS）優化策略研究[J].南方農機，2025，56（09）：135-138.

[2]楊鵬.新能源汽車動力電池冷媒直冷熱管理系統的設計與優化控制[D].江蘇大學，2022.DOl.10.27170/d.cnki.gjsuu.2022.000578.

[③楊兵，張玉榮，肖峰.一種混合動力特種車輛的電池系統設計與研究[J].內燃機與配件，2021，（05）.190-191.D0l.10.19475/j.cnki.issn1674—957×.2021.05.090.