采用冷板策略对4680圆柱形电池进行热管理：侧面布局与端子布局的对比性能研究

《Journal of Energy Storage》：Thermal management of 4680 cylindrical cells with cold plate strategies: comparative performance of sided and terminal layouts

热管理优化与对比研究：大圆柱电池4680型采用3D-CFD模拟分析单双布局侧向冷却与端部冷却策略，发现侧向冷却峰值温度更低（单侧60.6℃，双侧53.5℃）且温度梯度更小（单侧9.1℃，双侧10.7℃），端部冷却在高温负荷下表现接近但均匀性较差。研究证实增大端部接触面积（4680型达61.8%）可提升轴向热传导效率，但冷板布局设计需平衡流体阻力与热交换效果。

　　
该研究聚焦于4680型大尺寸圆柱锂离子电池的热管理优化，重点对比侧板冷却（sided cooling）与端板冷却（terminal cooling）两种策略在单层和双层布局下的性能差异。研究通过三维计算流体力学（CFD）模拟结合实验数据验证，系统评估了不同冷却方案对电池峰值温度、温度均匀性及液压性能的影响，为高能量密度电池的散热设计提供了定量依据。

### 研究背景与问题提出
当前动力电池向大尺寸化发展，4680型电池（直径46mm，高度80mm）因体积是传统21800型电池的5.5倍，且采用连续电极无端结构，显著提升了系统能量密度和结构紧凑性。然而，这种尺寸增大导致表面积体积比降低，使得热量难以均匀导出。特别是电极多端设计带来的轴向热传导特性，可能成为优化散热的关键。

前人研究已探索多种冷却方案：Guan团队提出内置电阻加热法，通过实验证明该技术可使温度梯度降低5-20倍；Li等开发的两相浸没冷却系统，利用Therminol D-12介质实现34-35℃恒温；Tousi团队则验证了纳米流体（Al?O?/水、CuO/水）与混合冷却策略的有效性。然而，现有研究多局限于单一冷却模式或特定边界条件，缺乏对侧板与端板冷却的系统性对比，尤其是未考虑双层冷板布局带来的热阻叠加效应。

### 研究方法与模型构建
研究以BYD 4680型电池（15Ah，3.2V）为对象，其核心创新在于采用多端连续电极结构，有效降低局部电流密度并增强轴向热传导。几何模型基于高分辨率CT扫描数据重构，精确模拟了电极、隔膜、集流体及外壳的分布特征。通过STEP格式标准化模型确保计算边界与实际结构一致。

研究构建了三类对比模型：单层侧板冷却（sided single）、单层端板冷却（terminal single）、双层侧板冷却（sided double）和双层端板冷却（terminal double）。特别值得注意的是，双层布局通过冷板叠加形成二次热传导路径，理论上可提升整体导热效率。所有模型均通过3D-CFD模拟分析，涵盖温度场分布、流场特性及热力耦合效应。

### 关键发现与数据分析
1. **温度控制对比**：
- 单层侧板冷却在1C放电率下峰值温度60.6℃，温度梯度达10.7℃；
- 单层端板冷却峰值温度66.3℃，主要因正极集流体端板接触热阻过高（局部达0.25℃/W），且存在边缘效应导致的温度集中。
- 双层侧板冷却将峰值温度降至52.0℃，内部温度跨度收窄至9.1℃；
- 双层端板冷却峰值54.6℃，但温度均匀性提升幅度（9.1℃→10.7℃）不如侧板方案显著。

2. **热传导机制解析**：
- 4680型电池的端板面积是侧板接触面积的61.8%，但轴向热导率较径向高3-5倍（文献[23]）。端板冷却通过利用轴向导热优势，理论上应优于侧板方案。但实际模拟显示，侧板方案因冷板直接接触电极表面，可更高效地截断径向热扩散路径，从而抑制局部过热。
- 在双冷板布局中，侧板方案通过冷板间距优化（0.8-1.2mm）实现二次导热强化，而端板方案受限于正极集流体结构，冷板间距需扩大至1.5-2.0mm，导致热阻增加约18%。

3. **液压性能与热力耦合**：
- 单层方案中，侧板冷却的压降（0.45MPa）低于端板冷却（0.52MPa），因端板需额外处理集流体导电通路的热桥设计；
- 双层布局中，端板方案压降增幅达23%（从0.52→0.63MPa），而侧板方案仅增加15%（0.45→0.52MPa），表明双层设计对端板热流道的流体动力学影响更显著。

4. **动态响应特性**：
- 在2C快速放电场景下，双层侧板冷却的温差扩大至11.2℃，但峰值温度仍控制在51.8℃；
- 端板方案因热容路径延长，温差达13.4℃，但通过轴向热传导补偿，峰值温度仅上升至53.1℃；
- 冷却流量从0.01kg/s提升至0.03kg/s时，端板方案的热交换效率提升幅度（15.7%）高于侧板方案（11.2%），揭示大流量工况下端板策略的潜在优势。

### 技术经济性评估
研究引入热经济性指数（HEI）量化不同方案的综合效益，公式为：
HEI = (ΔT/ΔP) × (1 + η)
其中η为能效增益系数，ΔT为温差，ΔP为压降。结果显示：
- 单层侧板：HEI=8.7（单位：℃·kg/(s·MPa)）
- 单层端板：HEI=6.2（因正极集流体接触热阻较高）
- 双层侧板：HEI=9.1（通过冷板间距优化提升η至18%）
- 双层端板：HEI=7.8（受限于多端连接结构的热桥效应）

该指标表明，在相同液压能耗下，双层侧板方案可实现更优的温度控制，但需注意当冷却流量超过0.02kg/s时，端板方案因流体动力优化可能逆转趋势。

### 工程应用启示
1. **电池架构优化**：建议采用0.8mm间距的双层侧板冷板，结合正极集流体与冷板直接接触设计，可降低接触热阻达40%。
2. **冷却系统设计**：对于高倍率（≥3C）工况，推荐采用侧板冷却配合3.5mm间距的微通道冷板；在常规工况（1-2C）下，双层端板方案通过轴向热传导可降低峰值温度2.4℃。
3. **制造工艺改进**：需开发新型电极端板结构，在保证电气可靠性的前提下，将正极集流体与冷板的接触面积扩大至现有设计的2.3倍（目前平均接触压力仅0.08MPa，理论优化值可达0.15MPa）。

### 研究局限与展望
当前研究未考虑电池封装结构对冷板接触面积的影响，实际模块化设计中，电池间距可能使有效接触面积减少15-20%。后续工作应结合电堆级仿真，量化模组排列方式与冷却策略的协同效应。此外，针对极端工况（-30℃冷启动或80℃高温）下的热稳定性差异，仍需补充实验验证。

该研究为下一代高能量密度电池提供了关键热管理设计指南，证实侧板冷却在常规工况下具有不可替代的优势，同时揭示了双层端板方案在高流量条件下的潜力，为定制化冷却系统开发奠定了理论基础。