純電動汽車電池液冷系統研究與優化

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.10.008

Research and Optimization of Liquid Cooling System for Pure Electric Vehicle Batteries

Hou Wenna Guo Cheng Guo Ying Zhang Yongxin Xi'anAutomobile Vocational University，Xi'an 71o6oo，China

Abstract：Aimingatthe problems thatpure electric vehicle power bateriesare prone torapid temperatureriseandthermalrunawayunder high-powerdischargeandcomplex environments，，researchwasconductedonthemodelingandoptimizationof liquidcooledthermalmanagementsystems，takingcylidical27Olitum-ionbaterisasteject.BystablisingabateryeaterationmodelandcombiingitwiththeANY/Fuentsimulatioplatfor，asystematicdiscussionisconductedfromtwoaspts：cooling structuredesignandtypical workingconditionanalysis.Anoptimizationmethodfortheliquidcolingplatestructureisproposed， andorthogonalexpermentsareciedutostudyteifluencedegeeofolantfowateadilettemperatureetc.earce sultsshowthattedsignedliqudolingsystmcansignificantlyachevegodteralmanagementefectsectivelysoleepro lemofunevenheatdistributioninthedesignofliquidcoolingsystems，andprovideanengineringreferenceforimprovingthesafety and stability of batteries.

Key words：Pure electric vehicle;Liquid cooling system;Lithium-ion batery;Thermal management

1前言

純電動汽車作為清潔能源交通工具正逐步取代傳統燃油汽車，動力電池作為純電動汽車核心部件，其安全性、性能穩定性與壽命對整車運行效率和用戶體驗產生直接影響，在高倍率充放電及高溫環境下電池極易產生大量熱量且若散熱不及時，會導致電池溫度過高進而引發容量衰減、熱失控甚至導致安全事故[1]。為保障電池在適宜溫度區間內穩定運行，熱管理系統成為純電動汽車關鍵技術環節，其中液冷技術具有冷卻效率高、控溫精度高、適應性強等優點，在中高功率應用場景中亟須開展系統化研究與優化設計。

2電池熱特性建模

2.1電池發熱機制

純電動汽車動力系統的21700型圓柱形鋰離子電池因能量密度高，其在運行過程中電芯內部會不可避免地產生熱量：焦耳效應引起的歐姆熱，電化學反應過程中由電極材料嵌脫鋰過程中產生的反應熱，充放電過程中電極材料結構變化引發可逆熱效應的熵變熱[2]。此三類熱源相互疊加共同決定電池在不同工況下的發熱強度與熱分布特性。為此，構建電池的生熱數學模型。生熱功率 Q 可由以下表達式描述：

式中 ，I 為電流； R 為電池內阻； T 為溫度； ?U?T 為電池開路電壓對溫度的偏導； Q_reaction 為電化學反應熱項。由于Q_reaction 項往往較小，在多數工程模型中可忽略不計，從而簡化為前兩項的疊加。

準確獲取電池熱參數乃熱模型有效性之前提，借助HPPC（HybridPulsePowerCharacterization）實驗，測試電池于不同荷電狀態下的直流內阻，通過溫升試驗及穩態溫度分布測定材料的熱導率、比熱容等參數；試驗設于恒溫環境箱內以確保環境邊界穩定性，測溫點選在電池極柱、側壁及中部，利用高精度熱電偶實時記錄溫度變化來獲取熱參數反演的基礎數據；記錄不同放電倍率下的電壓、電流及溫升速率，形成用于模型輸入和驗證的數據基礎，該部分試驗為后續仿真模型提供必要的物理支撐以保障模型可信度[3]。

2.2單體熱模型建立

在掌握電池內部熱源構成及其參數基礎上，構建單體電池熱模型成為評估冷卻結構合理性的關鍵步驟?；谀芰渴睾悖瑧萌S穩態熱傳導方程研究電池內部溫度場分布：

式中 ，ρ，ρ 為電池材料密度； c_p 為比熱容； k 為熱導率； T 為溫度場變量； Q 為單位體積生熱率。模型采用多物理域耦合處理方式，將歐姆熱源項分配至電芯活性區，并設定殼體與界面材料的熱阻，實現熱量在電芯-殼體-冷板間的傳遞過程模擬[4]。

本研究構建的單體電池熱模型基于瞬態熱傳導理論，充分考慮了電池內部多層材料結構及接觸熱阻的影響。模型采用六面體主導的結構化網格進行離散分析，針對電芯、殼體及冷卻界面分別設置材料屬性與邊界條件。通過用戶自定義函數（UDF）將時變生熱率加載至電芯區域，并利用耦合算法求解固液交界面的熱交換過程。模型經過網格無關性驗證，確保了計算結果的準確性與穩定性，為后續液冷系統分析提供了可靠的數值基礎。

在ANSYSFluent平臺開展建模與仿真工作，依據電池真實尺寸建立三維實體模型并劃分約25萬個六邊形的結構化網格。邊界條件為將電池底部與冷卻面的接觸區域設為對流換熱邊界、將其余面與空氣接觸設為自然對流邊界；放電倍率設為1C、2C、3C三擋，環境溫度設為 25^°C，35^°C 和 45°C ，構建多工況熱響應場景；仿真時間步長設為 5s_? 總模擬時長 300s ；采用瞬態計算方式捕捉溫度變化過程。為驗證模型準確性，設計溫升試驗對上述三組典型工況進行實測并與仿真數據對比;試驗選取電池殼體中部作為溫度監測點，記錄其溫升曲線與仿真結果同步對照。表1呈現放電倍率為2C、環境溫度為 35^°C 條件下的仿真與實測對比數據。

表1單體電池溫升仿真數據與實測數據對比

數據顯示，最大溫差控制在 0.6^°C 內，平均誤差不超過 0.45^°C ，所構建模型在溫度預測方面有著良好的準確性與工程實用性。驗證結果為后續液冷結構仿真與工況優化分析奠定了堅實基礎。

3液冷結構設計分析

3.1液冷板結構拓撲設計

電池液冷系統核心在于液冷板結構，液冷板結構拓撲對冷卻液流動路徑、傳熱效率以及溫度均勻性分布有著直接影響。常見液冷板結構有蛇形通道、并聯通道與十字交叉通道有以下三類。

a.蛇形通道結構單一且通道覆蓋電池底部區域，具備結構緊湊、流體控制性強的優點，但存在流阻大、末端換熱效率下降等問題。

b.并聯通道是將總流道分為多個子通道平行布置，能保證整體流速穩定，降低壓降、提高傳熱均勻性。

c.十字交叉通道則在蛇形與并聯之間形成流體交匯區域，可提高局部擾流效果，利于熱邊界層的破壞和換熱強化。

在設計時需兼顧通道長度、換熱面積、壓降控制與制造成本等多重因素。液冷板典型結構拓撲如圖1所示。選取三類典型結構進行研究，在幾何尺寸一致的前提下把液冷板流道寬度設計為 5mm. 深度設計為 2mm 讓總換熱面積保持在 120cm² 左右[5]。仿真時，入口流速設定為 0.5m/s ，入口溫度為 25‰ ，出口為定壓，其余邊界設為絕熱邊界，具體不同液冷結構參數匯總結果見表2。

圖1液冷板典型結構拓撲圖表2不同液冷結構參數匯總表

3.2多結構對比仿真結果分析

為定量分析不同液冷板結構在動態冷卻條件下熱性能的差異，基于ANSYSFluent平臺對上述三種液冷板結構開展穩態CFD仿真。電池組底部與液冷板以接觸熱阻 0.5K?cm²/W 建模實現熱接觸，液冷流場采用RNG k-ε 湍流模型。仿真結果顯示，蛇形結構因流體路徑較長致使尾端冷卻能力顯著下降，導致電池模組溫度場出現熱積聚現象，最大溫差達 5.2^qC 、平均溫升為12.6% 。并聯結構在多個通道同時換熱下，呈現出均勻性的較高溫度，最大溫差僅 2.4^°C 、平均溫升為 10.1^qC 但部分通道區域流速分布不均。十字交叉結構兼顧擾流強化與流道均衡，最大溫差 3.1^qC 、平均溫升為11.3^°C ，整體散熱效果處于中等水平，不同液冷結構下電池溫度分布云見圖2。從換熱效率與壓降對比來看，蛇形結構因路徑最長而壓降最大，達 560Pa ，影響冷卻泵的能耗。并聯結構壓降最小，僅 230Pa ，流體分布相對均勻[6]。十字交叉結構壓降 320Pa ，實現效率與流阻間較好平衡，表3為仿真溫度場圖示與性能對比表。

仿真結果表明：并聯結構能在冷卻效果和系統阻力之間取得最佳平衡，且為本研究中綜合性能最優的液冷結構類型，可作為基礎拓撲細化研究時的參數優化工作。

表3不同結構冷卻性能對比表

圖2不同液冷結構下的電池溫度分布云圖

4典型工況影響優化分析

4.1工況參數敏感性分析

液冷系統冷卻效果取決于結構設計且與實際運行工況有關，不同環境溫度、工作負載、冷卻液流量、入口溫度及外部環境溫度等因素對系統散熱能力影響顯著。為明確參數對液冷性能作用規律，以蛇形結構液冷板為研究對象開展單因素敏感性分析：

a.人口流速設定 0.3m/s?0.5m/s?0.7m/s 。流速在0.3m/s 以下，冷卻液在通道末端熱交換效果不足，尾部區域明顯過熱且最大溫差達 5.5^°C ；流速升至 0.7m/s 后，最大溫差下降至 2.9‰ 且均熱性顯著改善，但泵的功耗隨之上升，需在散熱效能與能耗間尋求平衡。

b.人口溫度設定 25^°C，30^°C 與 35^°C 三個梯度。結果顯示，入口溫度降低有助于增強冷卻液換熱驅動力，最低入口溫度組工況下電池表面平均溫度下降幅度超3^°C ，但環境溫度較高時冷卻液過冷易致系統凝露風險，需結合車載熱管理系統協調控制。

c.環境溫度設定外部空氣溫度為 25^°C，35^°C 與45°C 。結果表明，隨著環境溫度升高，電池溫升速率加快且液冷系統負荷顯著加重， 45°C 條件下電池組冷卻壓力增大且局部熱點區域更集中，對冷卻液流動均勻性和局部換熱提出更高要求[7]。

4.2正交試驗最優工況確定

在單因素敏感性分析基礎之上進一步明確不同工況參數相互作用關系且系統識別冷卻性能最優組合方案的需求下，本研究設計采用正交表開展模擬仿真試驗，試驗數據包含冷卻液入口流速、冷卻液入口溫度和環境溫度等，評價指標選電池組最大溫差作為冷卻均勻性的判據并輔以平均溫升作整體冷卻強度參考，模擬完成后，提取各組工況下關鍵指標并進行極差分析以識別主導影響因素，正交試驗結果與極差分析結果呈如表4所示狀態[8]。

表4正交試驗結果與極差分析表

結果表明，冷卻液流速對電池溫差影響大，環境溫度、入口溫度影響較小。從冷卻效果角度而言，最佳工況組合是A3B1C1，在此條件下呈現出最大溫差在2.8^qC 以內且平均溫升不足 10% ，能滿足動力電池工作溫度均勻性與安全性要求。該組合雖散熱性能最優，可需留意高流速導致的能耗增加以及系統穩定性方面的問題。所以在實際應用中，可在A2B1C1與A3B2C2之間進行工程折中的做法，為電動汽車電池熱管理系統提供理論依據與調控策略。

5結語

本文圍繞純電動汽車21700型鋰離子電池開展的液冷系統建模與優化研究，通過構建高精度電池熱模型并結合ANSYS/Fluent仿真完成液冷板拓撲結構設計及多工況熱性能分析。其仿真結果顯示，并聯型液冷板在溫度均勻性和壓降控制方面表現最佳，且基于正交試驗進一步識別冷卻液流速、人口溫度與環境溫度的影響權重以確定最優工況組合，有效提升電池溫控性能、顯著降低最大溫差，為電池系統安全性與熱管理設計提供理論支撐與工程參考，具備良好的推廣應用前景。

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[8]王興春.純電動汽車鋰離子型電池管理系統的幾項關鍵技術[J].中國設備工程，2020（17）：118-119.

作者簡介：候雯娜，女，1991年生，工程師，研究方向為新能源汽車整車熱管理。