鋰離子電池冷板式散熱技術研究綜述

程正林

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074）

0 引言

新能源汽車的續航問題和安全問題與車載動力電池有著直接關系[1]。其中，鋰離子電池因其高能量密度和長壽命的優勢，成為了電動汽車的主要動力源。鋰離子電池的健康狀態直接決定了車輛的續駛里程，而溫度是影響電池性能的主要因素，其最佳工作溫度范圍為20～40 ℃[2]。鋰離子電池在工作中會產生大量熱量，如果電池中的熱量積累過多，溫度過高，將會嚴重影響其性能和壽命，甚至在溫度超過80 ℃時導致爆炸。此外，電池的能量利用率和電池壽命也受電池內部不均勻溫度分布影響[3]。研究表明，電池內部的溫差超過5 ℃會導致10%的功率下降和25%的容量衰退[4]。因此，設計高效可靠的電池冷卻系統保證鋰離子電池在最佳溫度范圍內工作以及減少電池內部的溫度不均勻性至關重要[5]。

綜上所述，為了使新能源汽車始終保持在安全穩定的工作條件下運行，利用高效的液體冷卻將電池溫度控制在適宜工作溫度范圍內非常有必要，目前冷板式液冷因冷卻效率高，安全性強，使用壽命長等優勢，逐漸成為了液體冷卻的主流。因此，本文基于文獻挖掘，總結了冷板式液冷技術的發展歷程，分析了不同冷板結構設計技術的優劣勢，旨在為鋰離子電池熱管理研究提供參考方向。

1 冷板式散熱設計分析

電池的冷卻方式主要可分為空氣冷卻、液體冷卻、制冷劑直接冷卻、相變材料冷卻及熱管冷卻，鋰離子電池熱管理的分類如圖1所示。前3種冷卻方式為主動冷卻系統，后2 種冷卻方式為被動冷卻系統[6,7]。與被動冷卻系統相比，主動冷卻系統的冷卻能力更強，但結構更為復雜[8]。

圖1 電池冷卻技術分類

與空氣冷卻技術相比，液體冷卻擁有更高的換熱系數，可以在電池之間插入微通道冷板，從而提供更高的冷卻能力[9]。目前鋰離子電池液冷的方案主要分為2種，一種為電芯級冷卻，將冷卻流道設計成薄板狀或扁帶狀，直接分布在在電池之間間隙，液冷結構與電池緊密接觸，流體直接帶走電池熱量；另一種為模塊級冷卻，通過在電池單體之間安裝導熱材料將電池單體熱量導向電池模塊表面，主體冷卻結構則安裝在電池模塊表面，通過冷卻介質對流冷卻導熱材料，間接帶走電池熱量。電芯級冷卻效率較高，且在非事故狀態下，對相鄰電芯之間的熱交換具有一定隔離性，但在事故狀態下這種復雜且脆弱的冷卻結構容易失效。模塊級冷卻安全性更高，但效率相對于電芯級冷卻較低。液冷技術系統較為復雜，且對循環液驅動功率、機械強度、耐振動性及使用壽命都有一定的需求，但優異的冷卻效果使其成為目前許多新能源汽車的優選方案。

1.1 微通道設計方法

1981 年，微通道冷板散熱被首次提出，最常見的就是結構簡單易于加工的平行直流道或蛇形流道，如圖2所示。

圖2 平行直流道結構

Huo 等[10]設計了一種帶直微通道的矩形冷卻板，考慮了環境溫度、流動方向和進氣質量流量對電池溫度分布的影響。結果表明，隨著質量流量的增加，冷卻性能逐漸提高，但提高趨勢逐漸變小。Qian 等[11]采用了一種基于微通道冷板的液體冷卻方法，考慮冷卻劑分布不均勻的情況下，進一步研究了小通道冷板的冷卻性能。結果表明，小通道冷板熱管理系統在電池5 C放電時具有良好的冷卻效率。

隨著電動汽車的大力發展，對電池熱管理的要求越來越精準。不僅需要降低溫度，對溫度均勻性等也有嚴格的要求，普通直流道和蛇形流道早已無法滿足需求。在平行流道和蛇形流道的基礎上，衍生了很多改進結構。通過研究發現，改變冷卻通道結構可以改善冷卻系統的散熱性能。Zhao等[12]采用蛇形通道，通過增加圓柱形電池與冷板的接觸面積，在5 C 的放電倍率下，電池模塊的溫差在0.7°C以下。Sheng等[13]設計了一種新型的雙蛇形通道冷卻板，比較并分析了進、出口布置，通孔數量和通孔直徑對冷卻能力的影響。優化結果表明，雙蛇形通道散熱板能有效控制電池溫度，具有較好的散熱效果。Li 等[14]提出了一種硅冷板與直銅管和蛇形銅管相結合的冷卻矩形電池的方法。除了研究冷卻液流量和方向的影響外，還考慮了電池熱管理系統（Battery Thermal Management System,BTMS）的能源消耗，結果最大溫差為1.78°C，最高溫度為41.92°C。

隨后，一些研究人員開發了先進的優化算法來優化冷卻通道。以減小流動阻力，提高換熱能力。Jarrett等[15]以降低壓降、平均溫度和溫差為目標，對蛇形流道冷卻板進行了參數優化，首次為微通道冷卻板的優化設計提供了一種數值方法。此外，Tan等[16]提出了一種基于界面增強廣義有限元方法的優化方法，考慮了多目標函數對嵌入在電池冷卻板中的二維微通道網絡進行優化，研究了不同約束條件對最優設計的影響。Li等[17]進一步采用多目標優化方法設計了一種高效的微通道冷卻板，研究表明，該冷板能夠在冷卻性能和功耗之間實現良好的權衡，功耗較其他冷板大幅度降低。

然而，車用鋰離子電池在充放電過程中會產生巨大的熱量，微通道散熱設計多數來源于經驗設計，缺乏設計理論，并且微通道冷板性能與流道形狀密不可分，極大的制約了設計的靈活度，無法高效及時將熱量散發出去，對冷板性能的提升是有限的。

1.2 分形設計方法

隨著汽車行業的快速發展，電動汽車的快充技術越來越重要，因此對電池的散熱要求也越來越高，促使新的散熱設計方法不斷涌現。近些年，分形流道已經在實際工程中應用，進一步提高了電池的冷卻性能，分形通道結構如圖3所示。

圖3 分形通道結構

分形流道結構參數對流道性能有顯著影響。Bejan等[18]首次研究了樹形分形通道的散熱性能，發現樹形分形冷板有很低的壓降，同時也可以提供較好的溫度均勻性。Yu 等[19]研究了分形樹狀流道在不同長寬比下水力特性和熱工特性，并與直形微通道進行了比較，發現以較高的泵功率為代價，分形樹形微通道的換熱系數遠高于直線微通道。徐國強等[20]研究了分叉角度、分形級數對電池性能的影響。發現分叉角度為60°，分形流道級數為3時，電池溫度均勻性更好，冷板綜合性能最佳。

為進一步增強分形流道性能，隨后對多層分形流道及具有肋片或者孔洞的分形冷板進行研究。Xu等[21]發現在一定的流動條件下，多層微通道的單位熱阻、壓降和努塞爾數由層數決定，并且隨著分形流道層數增加，換熱器熱阻持續降低。結果表明，分形多層微通道結構對換熱性能和流體流動性能有顯著影響。Yan等[22]提出了一種新穎的Y形分形網絡截斷雙層散熱器，對其進行了仿真研究。結果表明與分形雙層流道相比，用較低的泵功率可以將入口附近的溫度均勻性提高24%～30%。Fan等[23]提出了一種新型雙層分形樹枝狀通道冷板，該冷板有傳熱層通道和收集層通道。以壓降、表面標準差和最高溫度為目標，采用NSGA-II 算法進行多目標優化。優化后，冷板的綜合散熱性能大幅度提升。Xie 等[24]受傳熱器中常用擋板的啟發，引入具有不同數量和模式的分流器到液冷板的流道中，研究了內部結構與溫度控制性能之間的關系。結果表明，在一定范圍內增加分流器數量可以有效降低溫度和溫差。此外，盡管能量消耗相對較高，但具有20～30 個分流器的雙面模式展示了電池模塊最佳的冷卻效果。

1.3 仿生設計方法

仿生學作為一種跨學科的新興領域，被越來越多地應用于工程技術中。仿生冷板作為一種仿生技術的典型代表，在熱管理領域發揮著重要的作用。目前研究人員已經設計出了許多不同形狀和尺寸的仿生冷板，例如仿生蓮葉、仿生鯊魚皮、仿生蜘蛛網等，如圖4所示。它具有較高的散熱效率，可以大大提高電子設備的性能和壽命。其次，具有較小的流體阻力和噪聲，可以使散熱系統更加穩定和安靜。

圖4 仿生蜘蛛網結構

Li 等[25]基于鯊魚皮仿生學理論，提出了4 種新型通道結構，對熱工性能和熵產進行分析，發現不同幾何形狀的通道將主流推向側壁，分流通道的順序收縮和擴張區域加強了流體交換，傳熱性能顯著增強。Liang等[26]根據墨魚的運動，運用仿生學設計了一種新型的中心錐形波浪形膠帶插入物，通過數值模擬，發現最佳Nusselt 數可以提高5.23～8.99 倍，最佳性能評價標準可以提高到2.62。Wu 等[27]對河網、昆蟲翅脈、蜂巢、蜘蛛網和平行渠道網等結構進行了數值分析，發現蛛網狀微通道散熱器具有最好的綜合散熱性能。Sheng等[28]開發了一種蜂窩狀液體冷卻通道系統，通過數值計算和實驗相結合的方法，研究了仿生蜂窩狀液體冷卻結構對圓柱形電池冷卻的影響。結果表明，蜂窩冷卻系統可以很好地控制圓柱形電池組的最高放電溫度。Dong 等[29]中提出了一種適用于圓柱形鋰離子電池的雙螺旋液體冷卻結構。通過數值模擬，研究了冷卻液質量流量、螺旋槽間距和流動直徑對冷卻性能的影響。Wang 等[30]研究了一種內部有仿生蜘蛛網通道的冷板，分析了槽數、液冷板的寬度和角度對電池溫度的影響，結果表明，通道寬度對冷板冷卻性能的影響最大，通道角度的影響最小。為了獲得低壓降和高換熱系數，Liu等[31]提出了一種帶有仿生葉脈分支通道的液體冷板，與初始葉脈通道和傳統的平行直通道相比，該結構的最高溫度分別降低0.23 ℃和1.12 ℃，相應的最大溫差分別降低0.28 ℃和1.64 ℃，平均壓降分別降低65.56%和8.77%。

目前，仿生冷板的研究重點主要集中在結構設計、材料選擇和性能優化方面。研究人員通過改變仿生冷板的形狀、尺寸和表面結構等因素，進一步提高了其散熱效率。此外，一些新型材料的引入也為仿生冷板的發展提供了更廣闊的空間。

1.4 拓撲優化設計方法

在液冷板的設計中，拓撲優化方法可以通過在設計過程中自動優化結構內部的材料分布，以實現最佳散熱性能。在流體動力學和傳熱學中，拓撲優化方法已經得到了廣泛的應用。例如，在船舶、航空航天、汽車和機械等領域，拓撲優化方法可以用于優化流體動力學和熱傳導的性能[32]。在散熱結構設計中，拓撲優化方法可以用于優化熱流分布，改善熱傳導性能，從而提高散熱效率，拓撲優化通道結構如圖5所示。

圖5 拓撲優化通道結構

Joo 等[33]使用拓撲優化方法對自然對流中的散熱器進行了熱學優化?？紤]翅片的局部形狀和熱邊界層的發展對熱傳遞系數的影響，提出了一種形狀相關的對流模型，試驗結果表明，通過拓撲優化，熱阻降低了13%、質量減輕了48%，可以提供熱性能更好、質量更輕的散熱器設計方案。Zhang等[34]采用拓撲優化方法對二維納米流體冷卻微通道散熱器的結構進行優化，以實現最大化傳熱。通過數值模擬發現，溫度相關性對優化結果有顯著影響，壓力差或熱發生系數的增加會產生更多分支流道。

隨后部分研究開展了多目標的電池冷板拓撲優化，Li 等[35]通過多目標優化問題來權衡流體功率耗散最小化和熱交換最大。然后在單一均勻和多個非均勻熱源條件下生成具有清晰拓撲信息的新型冷卻通道。結果表明，優化后的冷卻通道相比傳統的平行通道可以實現更低的熱阻和更高的努塞爾數，這意味著在最小化泵送功率的情況下，優化后的通道可以散發更多的熱能。Chen 等[36]采用拓撲優化方法設計了多目標的冷板，并與傳統的矩形通道冷板和蛇形通道冷板進行比較，拓撲冷板與以上兩種冷板相比，最高溫度降低了0.27%和1.08%，溫差降低了19.50%和41.88%，同時，流阻較低、傳熱系數高。Guo 等[37]通過雙目標優化函數得到了不同類型的冷板通道模型，研究了冷板類型、通道深度和質量流量對鋰離子電池的影響，并評估了其冷卻性能。與直通道相比，拓撲優化通道的冷卻性能提高了61.82%。

目前部分學者也開始對拓撲優化方法進行改進，Zhou等[38]提出了一種基于拓撲優化的輪廓提取方法，旨在針對高雷諾數下設計熱流體拓撲優化時計算成本較高、數值穩定性較差的問題，結果表明，該方法生成的散熱器由于消除了高雷諾數下停滯區域的影響，與壁面的流體交互更好，速度分布更加均勻。Picelli等[39]基于二元結構拓撲優化方法和幾何修剪程序提出了一種新方法，該方法自動生成顯式流體邊界，解決了目前偽密度方法調整材料插值參數的問題。

總之，相比于其他冷板結構設計，拓撲優化方法是一種非常有前途的工程設計方法，可以更加全面地考慮材料的分布和空間結構，為液冷板等散熱結構的設計提供更加全面和優秀的設計方案。

2 不同設計方法對比分析

綜上所述，不同的設計方法具有各自的優缺點，如表1所示。

表1 4種散熱設計方法對比

從表1 中可以看出，利用微通道方法設計的冷板結構較簡單，易于加工制造，缺點就是根據經驗設計，缺乏設計理論，其冷板性能與流道形狀密不可分。此外，平行微通道冷板進出口較多，也容易造成冷卻劑的泄露風險。隨著對產品性能的要求越來越高，簡單的平行微流道已經不能滿足散熱要求。隨后，發現分形方法設計的分形微通道可以較高的泵功率為代價，使換熱系數遠高于直線微通道，電池溫度均勻性更好，冷板溫差較小，不足之處就是泵功率較高，能耗較大。為了追求更低的功耗，仿生設計被用于高能元件的散熱中，通過仿生設計方法制造的冷板結構具有較高的散熱效率，較小的流體阻力和噪聲，可以使散熱系統更加穩定和安靜，可以大幅提高電子設備的性能和壽命。但是，其結構復雜，設計局限使其發展空間受到了限制。隨著新能源汽車不斷向高能量密度和高集成度的方向發展，較為傳統的冷板設計方法逐漸被淘汰，拓撲優化方法被廣泛應用于流體傳熱的結構設計中。其設計靈活度高，可以根據需求明確設計目標，更加合理考慮材料的分布。此外，拓撲優化冷板可以實現壓降與換熱效率之間的權衡，綜合散熱性能更好。

3 結束語

本文綜述了不同的冷板散熱設計方法，并對比分析目前鋰離子電池冷板設計方法的差異，對未來熱管理系統的發展作出了展望，主要結論闡述如下。

目前，電池系統主流的冷卻方式仍是液體冷卻，其具備相對成熟的技術，但受到密封性差和冷卻介質的限制。因此，需要探索更高傳熱效率的冷卻介質，以推動液冷系統的創新。此外，隨著鋰離子電池不斷向高能量密度和高放電倍率的方向發展，比如以液冷-相變材料、風冷-相變材料等混合冷卻也將是未來熱管理系統的發展趨勢之一。

基于變密度的拓撲優化方法設計冷板結構，較于傳統流道結構設計更容易確定設計目標，明確初始設計方案，并且有清晰的數學優化方向，因此可以大幅縮短設計周期，設計結果更為優化。另一方面，隨著智能制造技術的快速發展，可以用較低的成本快速制造出復雜結構，能夠讓拓撲優化設計結果更快的轉化為產品，將是未來電池冷板設計的最佳方案之一。