Ontwerpoptimalisatie van een batterijkoelsysteem met meerdere koelplaten om temperatuurverschillen te minimaliseren rekening houdend met interacties tussen koelplaten

Waarom koelere accu’s belangrijk zijn voor dagelijkse bestuurders

Naarmate elektrische voertuigen gewoonlijker worden, bepaalt wat er stilletjes in hun accupakketten gebeurt hoe ver we kunnen rijden, hoe lang de accu’s meegaan en hoe veilig ze blijven. Deze studie onderzoekt hoe honderden dicht opeengepakte lithium-ion cellen vrijwel op dezelfde temperatuur gehouden kunnen worden, met slim afgestemde metalen platen waar koelvloeistof doorheen stroomt. Door opnieuw na te denken over hoe deze platen koelvloeistof delen, laten de onderzoekers zien dat kleine ontwerpaanpassingen de temperaturen merkbaar kunnen egaliseren zonder meer energie te verbruiken.

Verborgen warmte in accu’s van elektrische auto’s

Moderne elektrische auto’s vertrouwen op grote pakketten die uit vele afzonderlijke lithium-ion cellen bestaan. Wanneer deze cellen laden en ontladen, genereren ze warmte. Als sommige cellen heter worden dan andere, verouderen ze sneller, kunnen ze minder vermogen leveren en in extreme gevallen onveilig worden. Fabrikanten streven er daarom naar om celtemperaturen binnen een veilig bereik te houden en, net zo belangrijk, de verschillen tussen de warmste en koelste cellen klein te houden—idealiter binnen een paar graden.

Hoe koelplaten pakketten onder controle houden

Veel elektrische auto’s gebruiken een indirecte vloeistofkoeling: platte metalen platen liggen onder stapels batterijcellen en koelvloeistof stroomt door kanalen in de platen. In het hier bestudeerde pakket liggen vijf lange koelplaten onder vijf modules met prismatische cellen. Alle platen delen één gezamenlijke koelvloeistofinlaat en -uitlaat, wat betekent dat de vloeistof aan één zijde binnenkomt, zich over de platen verdeelt en weer samenkomt om te vertrekken. Eerder onderzoek ging vaak uit van gelijke stroming naar elke plaat en beschouwde platen geïsoleerd. In werkelijkheid zijn de platen hydraulisch gekoppeld en geeft de koelvloeistof vanzelf de voorkeur aan sommige paden boven andere.

Ongelijke stroming, ongelijke temperaturen

Middels gedetailleerde computersimulaties van stroming en warmteoverdracht onderzochten de auteurs eerst het oorspronkelijke ontwerp, waarin alle platen identieke kanaalbreedtes hadden. Ze ontdekten dat de koelvloeistof de gemakkelijkste route nam: platen dicht bij de inlaat en uitlaat ontvingen het grootste deel van de stroming, terwijl de verste plaat zeer weinig kreeg. Die goed gevoede platen verwijderden warmte effectief, maar cellen boven de slecht gevoede plaat werden warmer. Binnen elke plaat verwarmde de koelvloeistof ook terwijl hij stroomde, waardoor cellen nabij het stroomuitgangseinde iets warmer liepen dan die bij de inlaat. Over het volledige pakket van 75 cellen bereikte het temperatuurverschil tussen de warmste en koelste cellen bijna 4 kelvin, hoewel de maximale temperatuur binnen een aanvaardbaar bereik bleef.

Slim afstellen in plaats van zwaardere pompen

In plaats van meer pompen, inlaten of omvangrijke hardware toe te voegen—wat in een echt voertuig vaak onmogelijk is—beschouwde het team de stromingskanalen zelf als instelbare knoppen. Ze stonden toe dat de kanaalbreedte van elke plaat onafhankelijk varieerde en lieten de kanalen ook vernauwen van inlaat naar uitlaat. Een smaller kanaal verhoogt de stromingsweerstand en duwt de koelvloeistof subtiel naar andere platen; een taps toelopend kanaal versnelt de vloeistof nabij de uitlaat, wat de lokale warmteafvoer verhoogt. Omdat volledige simulaties voor elke mogelijke combinatie te traag zouden zijn, bouwden de onderzoekers een snel wiskundig surrogaat van hun model en gebruikten een evolutionair optimalisatie-algoritme om de beste reeks afmetingen en de totale stromingssnelheid te vinden.

Een gelijkmatiger pakket zonder extra energie

Het geoptimaliseerde ontwerp zorgde voor een meer evenwichtige koelvloeistofverdeling over alle vijf platen. De platen het dichtst bij de inlaat en uitlaat kregen uiteindelijk smallere kanalen, wat hun weerstand verhoogde en meer stroming door de voorheen verwaarloosde verre plaat stimuleerde. Tegelijkertijd waren de kanalen zo gevormd dat ze langs de stroomrichting geleidelijk smaller werden, wat de koeling nabij de uitlaten verbeterde en temperatuurgradiënten binnen elke module verminderde. Terwijl stroming en oppervlak in balans werden gebracht, werd de netto warmteoverdracht van elke plaat meer vergelijkbaar. Het resultaat was een aanzienlijke daling van het cel-tot-cel temperatuurverschil in het pakket—van ongeveer 3,98 naar 1,73 kelvin—terwijl de piektemperatuur licht daalde en het pompvermogen nagenoeg ongewijzigd bleef.

Wat dit betekent voor toekomstige elektrische auto’s

Voor de niet-specialist is de kernboodschap dat slimmer vormgeven soms zwaardere hardware kan vervangen. Door zorgvuldig af te stemmen hoe koelvloeistofkanalen worden gedimensioneerd en gevormd, kunnen ingenieurs de vloeistof sturen naar waar die het meest nodig is, waardoor de temperaturen over grote accupakketten gelijkmatiger worden. Dit maakt het makkelijker om elke cel binnen een comfortabel bereik te houden, wat op zijn beurt bijdraagt aan langere acculevensduur, consistente prestaties en verbeterde veiligheid, en dat alles zonder extra energie van de voertuigs pompen te vragen.

Bronvermelding: Lee, H., Park, S., Park, C. et al. Design optimization of multiple cooling plate battery thermal management system for minimizing temperature difference considering interactions between cooling plates. Sci Rep 16, 14063 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41068-3

Trefwoorden: accu's voor elektrische voertuigen, accukoeling, thermisch beheer, vloeistofkoelplaten, lithium-ion pakketten