Optymalizacja projektu wielopłytowego systemu zarządzania termicznego akumulatora w celu minimalizacji różnic temperatur z uwzględnieniem wzajemnych oddziaływań między płytami chłodzącymi

Dlaczego chłodniejsze akumulatory są ważne dla kierowców na co dzień

Wraz ze wzrostem popularności pojazdów elektrycznych, to, co dzieje się wewnątrz ich pakietów akumulatorów, w subtelny sposób wpływa na zasięg, trwałość ogniw i poziom bezpieczeństwa. W tej pracy badano, jak utrzymać setki ciasno upakowanych ogniw litowo-jonowych w niemal tej samej temperaturze, wykorzystując starannie zaprojektowane metalowe płyty z przepływem chłodziwa. Przeanalizowanie sposobu, w jaki te płyty dzielą się płynem chłodzącym, wykazało, że drobne zmiany konstrukcyjne mogą istotnie wyrównać temperatury bez zwiększania zużycia energii.

Ukryte ciepło wewnątrz akumulatorów samochodów elektrycznych

Nowoczesne samochody elektryczne opierają się na dużych pakietach złożonych z wielu pojedynczych ogniw litowo-jonowych. Gdy ogniwa są ładowane i rozładowywane, wytwarzają ciepło. Jeśli niektóre ogniwa pracują w wyższej temperaturze niż inne, szybciej się starzeją, mogą dostarczać mniej mocy, a w skrajnych przypadkach stwarzają ryzyko. Producenci dążą więc do utrzymania temperatur ogniw w bezpiecznym przedziale i, co równie ważne, do minimalizowania różnic między najcieplejszymi i najchłodniejszymi ogniwami — optymalnie w granicach kilku stopni.

Jak płytki chłodzące utrzymują porządek w pakiecie

Wielu producentów stosuje pośrednie chłodzenie cieczą: płaskie metalowe płyty leżą pod stosami ogniw, a chłodziwo przepływa przez kanały wewnątrz płyty. W rozpatrywanym pakiecie pięć długich płytek chłodzących znajduje się pod pięcioma modułami ogniw pryzmatycznych. Wszystkie płyty korzystają z jednego wspólnego wlotu i wylotu chłodziwa, co oznacza, że ciecz wpływa z jednej strony, rozdziela się między płytami, a następnie łączy i wypływa. Wcześniejsze badania często zakładały, że każda płyta otrzymuje taki sam przepływ i zachowuje się niezależnie. W rzeczywistości jednak płyty są połączone hydraulicznie, a chłodziwo naturalnie wybiera łatwiejsze ścieżki przepływu.

Nierównomierny przepływ, nierównomierne temperatury

Wykorzystując szczegółowe symulacje przepływu płynu i wymiany ciepła, autorzy najpierw przeanalizowali oryginalny układ, w którym wszystkie kanały miały jednakową szerokość. Odkryli, że chłodziwo podążało najłatwiejszą drogą: płytki najbliżej wlotu i wylotu otrzymywały największy przepływ, podczas gdy najdalsza płyta miała go bardzo niewiele. Te lepiej zasilane płytki skutecznie usuwały ciepło, ale ogniwa nad słabo zasilaną płytą nagrzewały się bardziej. W obrębie każdej płyty chłodziwo nagrzewało się też w miarę przemieszczania, więc ogniwa w pobliżu końca przepływu były nieco cieplejsze niż te blisko wlotu. W całym pakiecie 75 ogniw różnica temperatur między najgorętszymi a najchłodniejszymi osiągnęła prawie 4 kelwiny, choć maksymalna temperatura pozostawała w akceptowalnym zakresie.

Inteligentne dostrojenie zamiast mocniejszych pomp

Zamiast dodawać kolejne pompy, wloty czy masywny sprzęt — co w praktycznym pojeździe często jest niemożliwe — zespół potraktował same kanały przepływowe jako regulowane pokrętła. Pozwolili, by szerokość kanału każdej płyty zmieniała się niezależnie, a także by kanały zwężały się od wlotu ku wylotowi. Węższy kanał zwiększa opór przepływu, delikatnie kierując chłodziwo do pozostałych płytek; kanał o zwężającym się przekroju przyspiesza ciecz przy wylocie, poprawiając lokalne odprowadzanie ciepła. Ponieważ uruchamianie pełnych symulacji dla każdej możliwej kombinacji byłoby zbyt wolne, badacze zbudowali szybką matematyczną aproksymację modelu i użyli algorytmu optymalizacji ewolucyjnej do poszukiwania najlepszych wymiarów i ogólnego przepływu.

Bardziej wyrównany pakiet bez dodatkowej energii

Projekt po optymalizacji doprowadził do bardziej zrównoważonego rozdziału chłodziwa między wszystkie pięć płytek. Płytki najbliżej wlotu i wylotu otrzymały węższe kanały, co zwiększyło ich opór i skłoniło większy przepływ do niegdyś zaniedbanej, najdalszej płytki. Jednocześnie kanały zostały ukształtowane tak, by stopniowo zwężać się wzdłuż kierunku przepływu, co poprawiło chłodzenie przy wylotach i zmniejszyło gradienty temperatur w każdym module. W miarę jak przepływ i powierzchnia wymiany ciepła wzajemnie się kompensowały, netto wymiana ciepła z każdej płytki stała się bardziej zbliżona. Efektem była znaczna redukcja rozrzutu temperatur ogniw w pakiecie — z około 3,98 do 1,73 kelwina — przy jednoczesnym lekkim spadku temperatury szczytowej i praktycznie niezmienionym zapotrzebowaniu na moc pompowania.

Co to oznacza dla przyszłych samochodów elektrycznych

Dla osoby niebędącej specjalistą kluczowy wniosek jest taki, że mądrzejsza geometria może czasami zastąpić cięższy sprzęt. Poprzez staranne dostrojenie rozmiarów i kształtu kanałów chłodzących inżynierowie mogą nakierować płyn tam, gdzie jest najbardziej potrzebny, wyrównując temperatury w dużych pakietach akumulatorów. Ułatwia to utrzymanie każdego ogniwa w komfortowym zakresie, co z kolei wspiera dłuższą żywotność baterii, stabilne osiągi i większe bezpieczeństwo — wszystko to bez zwiększania zapotrzebowania na energię pomp pojazdu.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: akumulatory pojazdów elektrycznych, chłodzenie akumulatora, zarządzanie termiczne, płytki chłodzące z płynem, pakiety litowo-jonowe