《Journal of Power Sources》：Research on structural optimization of cold plates for power batteries based on honeycomb flow channels
编辑推荐：
电池热管理系统优化中，蜂巢冷板结构参数对温度场与压力损失的影响规律及多目标协同优化方法研究。采用数值模拟与正交实验设计，系统揭示了通道宽度(W=7mm)、高度(H=5mm)、周期(N=5)与冷却液流速(v=1m/s)对电池包最大温度(34.06℃)、温差(7.28℃)及压力损失(113.93Pa)的作用机理，通过三因素四水平正交实验确定最优参数组合，实现热管理性能与系统能效的协同提升。
作者：褚阳阳、周年勇、李家春、朱浩轩、沈涵、余三松
单位：常州大学城市建设学院，中国常州 213164
摘要
在快速发展中的新能源汽车行业中，动力电池的热安全问题是限制技术突破的主要挑战。高效的液冷热管理系统对于防止电池热失控和维持最佳工作温度至关重要。本研究聚焦蜂窝状冷板，通过数值模拟和正交设计方法，探讨了冷却剂入口速度、通道宽度、高度和周期对电池组最高温度、温差和冷板压降的影响。单因素分析结果显示：当冷却剂速度从0.25 m/s增加到1 m/s时，最高温度下降9.2%，压降增加597%；通道宽度从4 mm增加到7 mm时，最高温度最多可降低6.6%；通道高度从2 mm增加到5 mm时，在0.25 m/s的流速下压降降低51%，但所有指标的改善效果逐渐减弱。通道周期对温度均匀性的影响有限（最大变化≤5%）。通过针对这三个指标的3因素4水平正交实验，并结合范围分析确定最优参数（W=7 mm，H=5 mm，N=5），实验得到的最高温度为34.06°C，温差为7.28°C，压降为113.93 Pa。
引言
随着新能源汽车行业的快速发展，动力电池的热安全已成为制约技术进步的关键瓶颈。锂离子电池（LIBs）因具有高能量存储容量和优异的能量密度-重量比而占据市场主导地位[1]，但在损坏或使用不当的情况下存在过热和火灾风险[2]。为了在25~40°C范围内最佳运行以平衡性能和寿命[3]，锂离子电池在充电/放电过程中或在不同环境条件下容易发生热不平衡，从而导致使用寿命缩短、效率降低，甚至引发热失控。因此，通过热管理系统精确调节电池温度以确保运行稳定性和降低安全风险变得至关重要。热管理系统的核心目标是在保证单个电池单元和整个电池组温度均匀性的同时，将电池温度保持在最佳工作范围内[4]。然而，在能耗与系统冷却效率之间找到平衡已成为技术瓶颈。因此，开发高效的热管理系统——既能将能耗降至最低又能保障电池热安全——是实现技术突破的关键方向，从而提升电动汽车的市场竞争力。
针对电动汽车电池的热管理技术包括空气冷却[5]、液冷[6,7]和相变材料（PCM）冷却[8,9]。由于冷却介质具有高比热容、结构灵活和成本可控等优点，液冷技术已成为主流解决方案。根据冷却介质与电池的接触方式，液冷技术分为直接冷却和间接冷却[10]。对于直接冷却方式，选择绝缘性能好（如高热传导系数和高热稳定性）和安全性高的介电流体[11]。与直接冷却对绝缘和安全性的严格要求相比，间接冷却系统通过物理隔离实现了散热效率与安全性的平衡，使其成为大规模应用的首选。
国际上，将产热电池集成到冷却系统中的研究通过关键技术创新推动了电动汽车的发展，包括流道设计的创新、冷板结构的优化以及算法参数的调整。Fan等人[12]采用仿生鱼骨状流道液冷板解决了锂离子电池过热和温度不均匀的问题，并设计了四种结构（D1-D4）用于6C放电条件下的大尺寸棱柱形电池组的冷却。对称单入口双出口结构（D2）表现出更优的冷却性能，优于传统的Z型板。正交实验优化了D2的参数，提高了温度控制和均匀性，降低了压降，从而提高了电池热管理的效率。Wang等人[13]研究了冷却剂进出口配置对电池模块热性能的影响，发现冷却板单侧交替排列的水入口和出口配置实现了最佳冷却效率。通过替代辅助方法构建优化模型，并结合多目标遗传算法（MOGA）优化通道参数和水流速度，优化后电池模块的最高温度、平均温度和通道压降均有所降低。其中，压降降低了13.28%，从而提高了系统的散热效率并降低了能耗。Yang等人[14]研究了一种新型液冷系统，该系统采用锥形歧管通道专门用于锂离子电池的热管理，比较了矩形和锥形歧管结构的不同通道通过方式，发现三通道锥形结构的冷却性能更优，能耗降低了86.3%。延迟冷却方式不适用，因为它会在短时间内造成较大的温差。Xin等人[15]开发了一种结合液冷和空气冷却的混合热管理系统，使用轴向分布的导热块（HCBs）进行液冷和边缘空气冷却。通过优化HCB的数量、尺寸和流速等参数（3个HCBs，通道直径6 mm，流速0.002 kg/s，风速1 m/s），显著降低了电池模块的最高温度和温差，提高了温度均匀性。Xu等人[16]比较了蛇形和U形液冷通道的电池散热效果，发现蛇形通道更优。通过自适应集成模型优化蛇形通道，最大温差降低了7.49%，实现了更均匀的温度分布，为电池液冷设计提供了参考。Xie等人[17]开发并改进了液冷结构，首先通过CFD模拟研究了冷却板参数（管径、间距、厚度和排列方式）对电池组散热的影响。基于单因素分析结果，构建了四因素三水平正交阵列进行单目标优化，旨在实现最低最高温度。实验验证了模拟模型的准确性。为了减轻冷却板重量，进行了多目标优化（同时最小化最高温度和质量）。与单目标优化相比，多目标优化使最高温度升高了10.9%，但冷却板重量降低了82.4%。Qian等人[18]研究了基于微通道冷板的锂离子电池液冷系统，分析了通道数量、冷却剂流速、方向和宽度对电池组热性能的影响。结果表明，5个通道的冷板足以满足冷却需求；增加流速显著降低了温度。与设计1相比，设计2将最高温度降低了13.3%，温差降低了43.3%，同时提高了温度均匀性。Feng等人[19]为圆柱形电池开发了蜂窝状液冷模块，通过ANSYS建立了3D热模型并进行了实验验证。提出了带有导流片的改进结构，并研究了冷却剂温度和流速对3D温度分布的影响。结果证实了模型的正确性和结构的合理性，电池组内的温度分布受到冷却剂温度和流速的显著影响，需要适当控制。Liao等人[20]将纳米流体应用于18650锂离子电池的液冷热管理系统，发现基于Cu水的纳米流体具有最佳的冷却效果，使电池组的最大温差降低了12.6%，最高温度降低了1.066 K。分析表明，增加纳米流体的体积分数和流速可以降低温差和最高温度，但会增加压降；较低温度的纳米流体虽然能降低温度，但会影响温度均匀性。Jarrett和Kim[21]对蛇形通道冷却板进行了参数建模和CFD分析，优化了通道宽度和位置。结果表明，单一设计可以同时满足压降和平均温度的要求，但会牺牲温度均匀性。Deng等人[22]评估了基于冷板的液冷电池组的冷却效率，研究了系统对冷却剂流速、冷板数量、通道分布和冷却方向的依赖性。结果表明，1 g/s的流速适合散热——具体来说，3C和5C放电后的最高温度分别为27.67°C和32.17°C。中间通道数量较多的设计（如设计532）具有最佳冷却效果，合理的冷却方向有效提高了温度均匀性。
现有的液冷通道设计已经发展出多种典型方案，并取得了显著进展：仿生鱼骨通道通过生物启发式优化提高了高放电率下的冷却均匀性，但由于分支结构导致局部压降；蛇形通道通过连续的流道实现高效散热，但存在较大的温度梯度、对流速变化敏感以及参数优化维度单一的问题；锥形歧管通道虽然降低了能耗，但由于复杂的变截面设计、高昂的加工成本和较差的大规模生产可行性而受到限制。相比之下，本研究中采用的蜂窝状流通道具有独特的学术优势：均匀的六边形单元提供了足够的传热面积和对称的流道，减少了停滞区和局部涡流，提高了温度均匀性；其周期性设计平衡了流动阻力稳定性和加工性，比锥形歧管更易于大规模应用；与现有的单维度优化研究不同，本研究关注了通道宽度、高度和周期的多参数耦合效应。
本研究详细设计了一种蜂窝状冷却流道，并分析了蜂窝状冷板的传热性能。系统揭示了关键蜂窝通道参数对散热效率、温度均匀性和能耗的耦合规律。采用正交实验设计优化了蜂窝流道的结构布局，并对每个结构因素进行了范围分析，以确定具有最佳综合性能的蜂窝流道结构。
几何模型
图1展示了动力电池液冷板系统的示意图，该系统由四个核心组件组成：电池组、电池控制系统、液冷热控制模块和铝合金电池托盘。为了便于计算，图1(a)中的动力电池液冷板系统被简化用于仿真，结果如图1(b)所示。简化模型由两个组件组成：电池组和液冷模块。
冷却剂入口速度的影响
冷板通道周期N=2，宽度W=4 mm。设置了不同的冷却剂入口速度v（0.25 m/s、0.5 m/s、0.75 m/s和1 m/s），并研究了不同的高度H对冷却效果的影响。
图3展示了不同入口流速对冷板冷却性能的影响。冷却剂入口流速对电池组热特性和冷板压降的影响具有显著的规律性：
结论
为了探讨冷却剂流动特性对电池热管理的影响，本研究通过改变冷却剂入口速度v以及冷板的通道宽度W、高度H和周期N来研究它们对冷却性能的影响。主要结论如下：
(1)冷却剂入口处的流速对冷却性能有显著影响。当流速增加时，电池组的最高温度及其
作者贡献声明
褚阳阳：撰写——初稿撰写，数据整理。周年勇：撰写——审阅与编辑。李家春：指导，软件开发。朱浩轩：可视化处理，验证。沈涵：可视化处理。余三松：形式化分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项目得到了江苏省研究生研究与创新项目（项目编号：SJCX25_1679）的支持。
