利用级联PCM（相变材料）-液冷耦合系统对棱柱形电池组进行协同热管理

《Energy》：Coordinated thermal management of prismatic battery packs using cascaded PCM–liquid cooling coupling

　　胡志伟|王靖龙|龚传祥|李皓龙|陈军|张广泰|庞浩
中国江苏省南京工程学院机械与动力工程学院过程增强与新能源设备技术重点实验室

**摘要**
本文提出了一种集成的棱柱形电池热管理系统，该系统采用带有级联相变材料（PCM）的冷板以及嵌入式液体冷却通道。通过实时监测PCM的液相分数，采用状态反馈控制策略来激活间歇性液体冷却，从而实现周期性的潜热回收和与持续散热的协同瞬态缓冲。研究了热管理配置、级联温差、触发阈值、环境温度和放电速率对系统性能的影响。结果表明，这种耦合冷板有效结合了被动和主动冷却方式。与仅使用PCM的系统相比，在1C放电速率（环境温度298 K）下，该耦合系统可使电池最终温度降低9.24 K；在相同条件下，与单液体冷却系统相比，它可以将达到303 K的时间延长279秒，并将能耗降低38.02%。较低的触发阈值会增加冷却频率和能耗，而较高的阈值则会使电池最高温度升高1.22 K（阈值分别为1.9和1.5）。2 K的级联温差可使电池底部温度降低1.13 K，并使累积潜热增加11.21%。液相分数反馈策略对环境温度（296–302 K）具有良好的鲁棒性，放电结束时的最大温差低于0.2 K。在高放电速率（2C–3C）下，PCM的低导热性会导致热量积聚，温度上升超过16 K，累积潜热降至总热量的20%以下。本研究为电池热管理的级联PCM-液体冷却系统提供了有益的见解。

**引言**
新能源车辆的发展已成为全球公认的应对能源短缺和环境污染双重挑战的战略。作为车辆电气化的重要组成部分，动力电池——特别是高性能锂离子电池——在决定电动汽车的续航里程和安全性方面起着决定性作用[1]。然而，锂电池的性能和寿命高度依赖于工作温度，最佳工作温度范围为15°C至40°C[2]。温度过低会导致效率急剧下降，并可能引发锂沉积；而温度过高则会加速电池退化，甚至引发热失控。因此，高效准确的热管理系统至关重要。通过确保电池在其理想温度范围内均匀工作，这种系统为保障安全运行、提高整体性能和延长电动汽车使用寿命提供了关键技术基础[3]。

已经提出并实践了一系列电池热管理策略，尤其是冷却技术。这些方法通常根据是否需要外部能量输入分为主动型和被动型。作为代表性的主动冷却方法，空气冷却因简单、成本低和可靠性高而受到青睐。然而，其有限的传热效率使其在高速充放电过程中无法有效控制温度上升[4]。相比之下，液体冷却利用具有较高热容量的冷却剂，能够将电池温度保持在狭窄范围内，是商业应用中最广泛采用的解决方案。不过，这类系统通常较为复杂，依赖于泵的运行，并存在能耗高和冷却剂泄漏等潜在缺点[5][6]。此外，还提出了多种增强对流传热的方法，如喷雾冷却和微通道冷却。这些方法主要是局部化的，在高热负荷下仍面临流动不稳定和空间设计限制等挑战[7]。在被动冷却领域，相变材料（PCM）利用潜热吸收大量热能而无需额外能耗，在缓解短期温度峰值方面表现出色。其主要局限性在于其固有的低导热性，这会导致热量积聚，限制了其在长时间运行中的持续散热能力[8][9]。另一种被动技术是热管，它特别适用于快速扩散局部热点产生的热量。但由于其性能严重依赖于冷凝器的热量排放能力，实际应用往往受到集成成本和空间布局的限制[10]。

新兴应用，如快速充电和高功率电池，对热管理系统提出了双重要求：既要能够管理瞬时的高热负荷，又要确保持续散热。液体冷却在持续散热方面表现良好，但在应对瞬态热冲击方面效果较差。基于PCM的方法在吸收峰值热负荷方面表现出色，但在长期运行中受到低导热性的限制。结合这两种策略有望实现互补性能。因此，近年来对混合PCM-液体热管理系统进行了大量研究，其中的协同机制已成为关键研究重点[11][12]。PCM-液体混合热管理系统的性能在很大程度上取决于其结构配置。根据PCM与液体冷却单元的空间排列方式，这些系统可分为两种主要类型：分离布局和集成布局[13]。在分离布局中，PCM和液体冷却通道位于物理上不同的位置。例如，吴等人[14]在圆柱形电池组的外部和间隙中嵌入了石蜡/膨胀石墨复合材料，并在底部安装了平行冷板。他们的结果表明，随着环境温度的升高，主导的冷却机制逐渐从冷板热交换转变为潜热吸收，同时电池沿长度方向的温度梯度增加。牛等人[15]提出的耦合模块中，PCM放置在棱柱形电池之间，液体冷却通道位于电池组底部，并附加了高导热性板连接到电池侧面。在这种混合配置下，2C放电时的平均电池温度保持在45°C以下。杨等人[16]开发了一种混合液体冷板设计，其中冷却通道布置在棱柱形电池之间，Z形通道内的间隙填充了PCM/泡沫铝复合材料。与传统冷板设计相比，该结构总体质量减少了53%，在延迟冷却策略下2C放电时的最大温度降低了4°C以上，能耗降低了50%。

尽管这种分离结构提供了一定程度的温度调节，但PCM与冷却剂之间的延长散热路径可能导致热量传递延迟和温度不均匀性增加，特别是在高温或高放电速率条件下[17]。为了进一步提高冷却效率和结构紧凑性，一些研究人员提出了集成嵌入式通道的混合热管理方案，其中液体冷却管直接嵌入PCM基质中以实现更紧密的热耦合。孔等人[18]使用圆柱形电池设计验证了这种嵌入式管配置的可行性。五个S形铝管围绕电池排列，剩余空间填充了PCM。他们的研究发现，当电池与管之间的距离超过2 mm时，液体冷却对整体热性能的贡献变得有限，主要作用是延长PCM的液化时间。对于棱柱形电池，嵌入式管排列提供了更大的设计灵活性，因为它们形状平坦且表面积较大。Saxena等人[19]将PCM和嵌入式液体冷却通道都放置在棱柱形电池之间，通道与电池表面直接接触。采用PCM状态反馈控制策略，当PCM液相分数达到80%时启动冷却，在20%时停止，使US06循环下的能耗降低了34.7%。Hekmat等人[20]采用了不同的布置方式，电池不直接接触冷却通道，冷却剂通过模块循环以从PCM中回收潜热来降低电池温度。不幸的是，在缺乏有效冷却策略的情况下，PCM和液体冷却之间的协同效应仍然有限。高等人[21]设计了位于电池顶部和底部的耦合模块，其中水冷通道封装在石蜡/膨胀石墨复合材料中。评估了连续液体冷却下的热性能，20%石墨质量分数的情况下表现出最佳性能，最大温度为47°C，温差为4.8°C。Akbarzadeh等人[22]采用了类似的布局，在棱柱形电池组的两侧安装了冷却板。每块板上包含两个由三个液体流道分隔的PCM填充隔间。当平均界面温度达到40°C时启动液体冷却，在27°C时停止，与传统的铝冷板相比，能耗降低了37%。其他研究还结合了安装在电池组侧面的热管，这可以提高热管理效率并降低能耗，尽管系统的集成复杂性仍然是一个挑战[23][24]。总之，顶部/底部集成的耦合设计提高了系统集成度和能量密度，更适合大型棱柱形电池组。间歇性液体冷却通过防止PCM过早饱和和降低能耗来改善PCM-液体冷却系统的性能，而基于状态的反馈策略有助于有效分析耦合机制。

虽然现有研究展示了顶部/底部嵌入式管结构在集成度和能量密度方面的优势，但大多数研究主要集中在结构设计上，对结构配置与控制策略之间的协调交互关注较少。级联PCM的概念在热能存储领域已得到广泛应用[25]。然而，当前的电池热管理系统通常使用单个PCM，现有的控制策略主要是为这种配置开发的。级联PCM结构与基于状态反馈的液体冷却控制的集成尚未得到系统研究。这些限制突显了结构和控制协调设计中的关键差距，目前阻碍了混合电池热管理系统的充分开发。为解决这些问题，本研究提出了一种集成热管理系统，该系统采用位于棱柱形电池顶部的PCM/埋藏管耦合冷板。通过基于实时PCM状态反馈的控制策略，系统实现了协同运行，其中PCM缓冲瞬态热负荷，而液体冷却定期恢复其潜热存储能力。系统研究了关键参数（包括触发阈值、级联温差和放电速率）对热管理性能的影响。此外，还分析了特定工作条件下的电池最高温度、液相分数、累积潜热和热量生成分布的变化，为耦合电池热管理系统的最佳设计提供了理论基础。

**系统配置**
本研究提出的电池热管理模块结构如图1所示。如图1a所示，电池组由16个LFP棱柱形电池（62Ah，SVOLT制造；电池尺寸：409 mm × 14.6 mm × 88 mm）串联连接并排成一行。电池单元的主要规格总结在表1中。组装后，电池组的上表面形成一个409 mm × 233.6 mm的平面界面。

**网格和时间步长独立性**
计算域采用块状结构六面体网格划分，在管壁、PCM区域和接触界面等关键区域进行了局部细化，以准确捕捉流场、相变界面和热流变化。为了确保数值准确性，在Case 4下进行了网格独立性和时间步长独立性的验证，以确保模拟结果的准确性和网格无关性。

**耦合冷板的性能**
本节评估了所提出的耦合冷板的热管理性能。首先，在1C放电速率和Ta=298 K下，将其性能与其他配置进行了基准测试。然后通过温度曲线、液相分数曲线和等高线图研究了瞬态热响应和相变行为。最终，通过对热量分布的分析，量化了潜热储存、显热移除和余热保留的情况，为进一步的研究提供了见解。结论在于：本研究提出了一种结合级联相变材料（PCM）和间歇性液体冷却的耦合冷板，用于棱柱形电池模块的热管理。主要结论如下：(1)采用PCM状态反馈控制策略的耦合冷板实现了热缓冲与主动冷却的协同作用。与单一液体冷却相比，电池温度达到303 K所需的时间延长了279秒，能耗降低了38.02%。

作者贡献声明：
胡致伟：撰写——原始草案，软件编写，形式分析，数据管理，概念构思。
陈军：软件编写，数据管理。
李浩龙：调研，形式分析。
龚传祥：形式分析，概念构思。
王金龙：软件编写，资源协调，数据管理。
彭浩：撰写——审稿与编辑，资源协调，资金筹集。
张广泰：验证。

利益冲突声明：
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢：
作者感谢江苏省碳排放峰值与碳中和科技创新项目（项目编号：BE2023090-2）以及江苏省锅炉节能环保市场调节项目（项目编号：BL202503）提供的财政支持。在准备本课题期间，作者使用了ChatGPT（GPT-5.4 Thinking，OpenAI）进行语法和格式检查。使用该工具后，作者对内容进行了审核和修改。