一种新型仿生叶片-蜂窝复合结构液冷板的传热与流动特性

《Journal of Energy Storage》：Heat and flow characteristics of a novel bionic blade-honeycomb composite structure liquid cooling plate

研究提出一种融合仿生叶片流道与蜂窝防护结构的液冷板设计，通过数值模拟与实验验证，揭示了通道宽度、壁厚及蜂窝胞元尺寸对散热效率、温度均匀性及压降的协同影响机制，优化了多目标热管理性能。

　　

庞彦杰|钟向强|高强|周洋

安徽工业大学机械与汽车工程学院，芜湖，241000，中国

摘要

动力电池的液体冷却系统受到了广泛关注和研究。然而，与蜂窝结构集成在一起的仿生液体冷却板的热流特性尚未得到有效研究，多参数协同作用对热性能的影响机制仍不清楚。本研究提出了一种新型液体冷却板，该冷却板结合了仿生叶脉结构的流动通道设计与蜂窝结构，系统地探讨了复合结构的散热性能和温度均匀性，并揭示了关键结构参数对热管理效率的影响机制。本研究采用计算流体动力学（CFD）进行了全面的数值分析。通过实验平台验证了铝合金样品在不同工作条件下的散热性能。结果表明，仿真与实验的平均温度误差在3.27%以内，验证了模型的可靠性。增加质量流量可使液体冷却板的最高温度降低10.9%，努塞尔数（Nusselt number）和性能评估标准（PEC）分别提高58.3%和58.0%，但压力降增加了157.7%。拓宽流动通道可使最高温度降低5.2%，压力降降低47.8%，PEC提高62.2%。增加蜂窝单元的边长会使最高温度升高10.3%，PEC降低41.5%。研究表明，适当增加通道宽度和壁厚可以显著提高传热均匀性和效率，而蜂窝结构参数对整体性能的影响相对较小，但对温度分布均匀性有积极影响。

引言

作为电动汽车的核心能源组件，动力电池直接决定了车辆的动力性能、续航里程、安全性和使用寿命[1]、[2]。其运行过程中的温度对其电化学反应速率、材料稳定性和电池内阻等关键参数有显著影响，从而影响电池的使用寿命和安全性[3]、[4]、[5]、[6]。不当的热管理会导致性能下降和热失控风险，严重威胁整个车辆的安全。因此，建立高效可靠的热管理系统以实现电池在最佳温度范围内的均匀热调节，不仅对提高动力电池的能量效率和延长其使用寿命至关重要，也是确保其安全运行的核心技术支持，这对促进电动汽车的可持续发展具有重要意义[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。

动力电池的冷却方法主要包括空气冷却、相变材料（PCM）冷却和液体冷却[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。空气冷却通过自然对流或强制对流实现散热。其结构简单且成本低廉，但由于空气的比热容和导热系数较低，散热能力有限，适用于低至中等热负荷条件[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。相变材料冷却利用材料相变过程中的潜热吸收机制，具有良好的温度稳定性和被动热管理能力，适用于瞬态高热流密度场景[25]、[26]、[27]、[28]。这种冷却方法对瞬态高温负荷有良好的缓解效果[29]、[30]。然而，相变材料的导热系数较低，限制了其快速吸热的能力和处理长时间高温负荷的能力[31]、[32]。例如，Hekmat等人实验验证了嵌入冷却水管的相变材料（PCM）模块，实现了约8°C的最高温度降低；但系统表现出显著的热响应滞后[33]。为了提高PCM的导热系数，Wu等人引入了一种复合结构，将高潜热PCM与轻质金属支架结合，通过结构优化实现了12%的重量减轻，但核心的复杂制造工艺限制了其可扩展性[34]。Yao等人提出了一种受蜘蛛网启发的液体冷却通道，结合了相变材料（PCM），有效改善了温度均匀性并降低了温度上升；然而，该研究未评估泵送功率、可制造性或PCM的长期循环稳定性[35]。液体冷却系统通过循环液体直接或间接移除电池产生的热量，具有较高的热容量和良好的导热性，尤其适用于高功率密度、紧凑布局的动力电池系统。因此，它已成为商用电动汽车热管理系统（BTMS）中的常见方法[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。Zhang等人提出了一种双层液体冷却板，并引入了侧装液体冷却板布置，有助于改善热平衡并减少温度和压力差的问题[44]。Lin等人提出了一种对称双螺旋通道液体冷却板，研究表明其显著提高了冷却效率，降低了流动阻力，并填补了现有文献中关于电池储能系统高均匀性的空白[45]。Xie等人提出了一种简单的液体冷却结构，仅使用两个大型电池模块的液体冷却板，具有结构简单、重量轻和冷却性能好的优点[46]。近年来，由于仿生结构液体冷却板在提高散热效率和优化温度均匀性方面的显著优势，受到了广泛关注并快速发展。Chen等人提出了一种仿生荷叶通道液体冷却板，增强了散热效果并实现了温度均匀分布[47]。Qiao等人提出了一种仿生蜘蛛网液体冷却系统，改善了温度均匀性并降低了系统能耗[48]。Xu等人提出了一种仿生鱼骨通道，发现其在冷却高倍率大电池组时表现良好[49]。Wang等人提出了一种蝴蝶形冷却通道，并将其与蛇形通道和直通道进行了比较，发现蝴蝶形通道在冷却性能方面优于其他通道[50]。Gao等人提出了一种具有鱼骨形导流孔的液体冷却板，在特定流量下有效提高了电池温度均匀性并降低了压力降[51]。

面对动力电池结构的热管理和机械保护功能集成设计的需求，研究同时具有散热和保护功能的复合结构的散热性能具有很大价值。Xu等人提出了一种模块化液体冷却板和负泊松比相变材料结构层的组合，改善了温度不均匀性，降低了系统能耗并增强了整体结构的机械性能[52]。最近的研究开始探索多功能结构集成。例如，Shi等人提出了一种同时具有热传导和机械能量吸收功能的冷却鳍架构，但捕捉热机械耦合机制的定量模型尚未开发[53]。同样，Zheng等人开发了一种结合波浪形逆流冷却板和相变材料（PCM）的混合热管理系统，通过优化PCM厚度和流动方向降低了电池模块之间的最大温差。然而，系统的性能对特定的冷却剂流量非常敏感，金属冷却板与PCM的堆叠导致整体质量显著增加[54]。蜂窝结构具有高度有序的周期性几何形状、较大的比表面积和出色的轻量化潜力，在紧凑型换热器设计中表现出独特优势，提供了机械支持和高效散热[55]、[56]、[57]、[58]、[59]。Zhao等人提出了一种蜂窝形流动通道液体冷却板，密集的蜂窝通道显著增加了冷却通道的换热面积，对提高电池模块的温度均匀性有显著效果[60]。然而，关于蜂窝结构和仿生液体冷却通道架构的协同设计的研究仍然很少。许多高性能复合配置往往在可制造性和成本效益方面存在妥协，且缺乏统一的多目标优化框架。特别是，控制这些复合系统整体热性能的跨结构协同作用机制的基础机制尚不明确，系统参数分析也不充分。因此，开发能够通过合理调整结构参数实现均匀温度分布和最小化压力降的新型、易于制造的复合冷却板需要进一步的深入理论建模、数值模拟和实验验证。

基于上述讨论，本文提出了一种结合仿生叶片启发式流动通道和蜂窝保护结构的新型液体冷却板。进行了系统的参数研究，以探讨关键几何参数对热流体性能的影响，使用的核心指标包括最高温度、最大温差、压力降、对流换热系数、努塞尔数（Nusselt number）和性能评估标准（PEC）。为了验证数值模拟结果的准确性和可靠性，本文还进行了相应的实验验证。通过建立实验平台，模拟液体冷却板在实际条件下的工作环境，测量其温度，计算努塞尔数等关键数据，并与模拟结果进行比较分析。结果表明，数值模拟与实验测试高度一致，有效验证了模型的准确性和设计方案的可行性。总之，本文旨在通过仿生叶片流动通道和蜂窝保护结构的集成设计进行系统的参数研究，解决当前关于仿生流动通道和蜂窝结构协同优化以及结构参数对热性能调节作用不明确的问题，结合数值模拟和实验验证进行探讨。揭示关键结构参数如何影响热交换性能（如温度均匀性和压力降），并为多功能集成热管理系统的结构设计提供有用的参考和探索方向。

章节片段

几何配置

本文中的冷却板结构设计灵感来源于两种高效的生物系统：植物叶片的分层血管网络[61]，它实现了低流动阻力、高效率的流体传输和出色的空间均匀性；以及蜜蜂蜂巢的蜂窝结构，其六边形周期性蜂窝结构实现了高比表面积，增强了热传递效率，同时提供了轻量化、高刚度的机械支撑

仿真实验的比较分析

根据实验结果，在与实验相同的边界条件下进行了四组仿真。表3显示了不同质量流量下实验和仿真的平均温度。从表中的数据可以看出，误差控制在3.5%以内。数据表明实验结果与仿真结果高度吻合，证明了仿真结果的可信度和实验的可行性

结论

本研究通过数值模拟和实验验证相结合的方法，系统研究了基于仿生叶片流动通道和蜂窝保护结构集成设计的液体冷却板的热流耦合性能，揭示了几何参数和工作条件对散热特性的影响。适当增加液体冷却板的壁厚可以降低横向热阻力

作者贡献声明

庞彦杰：撰写——原始草案，正式分析，数据整理，概念构思。钟向强：方法论，调查。高强：验证，监督，软件。周洋：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了安徽省自然科学基金（授权号：2408085QA015）、安徽省高等学校重点科研项目（授权号：2024AH050102）、安徽工业大学初期科研经费（授权号：S022024027）以及企业合作项目（HX-2025-10-040、HX-2025-11-026）的支持。