Оптимизация конструкции системы терморегулирования батареи с несколькими охлаждающими пластинами для минимизации разницы температур с учётом взаимодействий между пластинами

Почему более холодные батареи важны для обычных водителей

По мере распространения электромобилей то, что происходит внутри их батарейных блоков, незаметно определяет пробег, срок службы аккумуляторов и их безопасность. Это исследование рассматривает способ поддержания сотен тесно упакованных литий-ионных элементов при практически одинаковой температуре с помощью точно настроенных металлических пластин с проточной охлаждающей жидкостью. Переосмыслив способ распределения хладагента между пластинами, авторы показывают, что небольшие изменения в конструкции могут заметно выровнять температуры без увеличения энергозатрат.

Скрытое тепло внутри батарей электромобилей

Современные электромобили используют крупные блоки, собранные из множества отдельных литий-ионных элементов. При зарядке и разрядке эти элементы выделяют тепло. Если одни элементы работают горячее других, они стареют быстрее, могут давать меньше мощности и в крайних случаях представляют опасность. Поэтому производители стремятся держать температуру элементов в безопасном диапазоне и, не менее важно, минимизировать разброс температур между самыми горячими и самыми холодными элементами — желательно до нескольких градусов.

Как охлаждающие пластины удерживают блоки в норме

Во многих электромобилях применяется косвенное жидкостное охлаждение: плоские металлические пластины располагаются под наборами элементов, а охлаждающая жидкость циркулирует по каналам внутри пластин. В рассматриваемом блоке пять длинных охлаждающих пластин расположены под пятью модулями призматических элементов. Все пластины подключены к единому входу и выходу хладагента: жидкость входит с одной стороны, распределяется между пластинами, затем снова собирается и уходит. Ранние исследования часто предполагали, что каждая пластина получает одинаковый поток и работает независимо. На практике же пластины гидравлически связаны, и хладагент естественно предпочитает одни пути другим.

Неравномерный поток — неравномерные температуры

С помощью детальных компьютерных моделирований течения жидкости и теплообмена авторы сначала проанализировали исходную конструкцию с одинаковыми по ширине каналами в каждой пластине. Они обнаружили, что хладагент шёл по самому лёгкому пути: пластины, ближе расположенные к входу и выходу, получали большую часть потока, тогда как самая удалённая пластина получала очень мало. Эти хорошо питаемые пластины эффективно отводили тепло, в то время как элементы над слабо омываемой пластиной нагревались сильнее. Внутри каждой пластины жидкость также нагревалась по ходу движения, поэтому элементы ближе к концевой (дальней) части работали чуть горячее, чем у входа. По всему блоку из 75 ячеек разница температур между самой горячей и самой холодной ячейкой достигала почти 4 кельвина, хотя максимальная температура оставалась в приемлемых пределах.

Умная наладка вместо более мощных насосов

Вместо добавления дополнительных насосов, входов или громоздкого оборудования — что часто невозможно в реальном автомобиле — команда рассматривала сами каналы потока как настраиваемые элементы. Они позволили ширине каналов каждой пластины варьироваться независимо и также допустили сужение каналов от входа к выходу. Более узкий канал повышает гидравлическое сопротивление, мягко перенаправляя поток к другим пластинам; сужающийся канал ускоряет жидкость у выхода, улучшая локальный отвод тепла. Поскольку прогон полных симуляций для каждой возможной комбинации был бы слишком медленным, исследователи построили быстрый математический суррогат их модели и использовали эволюционный оптимизационный алгоритм для поиска лучших размеров каналов и общего расхода.

Более равномерный блок без дополнительных энергозатрат

Оптимизированная конструкция обеспечила более сбалансированное распределение хладагента по всем пяти пластинам. Пластины, ближе всего к входу и выходу, получили уже каналы, что увеличило их сопротивление и стимулировало больший поток через ранее обделённую удалённую пластину. Одновременно каналы были спроектированы с постепенным сужением вдоль направления потока, что улучшило охлаждение у выходов и снизило градиенты температур внутри каждого модуля. По мере того как расход и площадь теплообмена уравновешивались, суммарный теплообмен от каждой пластины стал более однородным. В результате разброс температур между ячейками блока существенно сократился — примерно с 3.98 до 1.73 кельвина — при небольшом снижении пикового значения температуры и практически неизменной потребляемой мощности насосов.

Что это значит для будущих электромобилей

Для неспециалиста ключевая мысль такова: более продуманная геометрия иногда может заменить более тяжёлое оборудование. Тщательно настраивая размеры и форму каналов хладагента, инженеры могут направлять жидкость туда, где она наиболее нужна, выравнивая температуры по крупным батарейным блокам. Это облегчает поддержание каждого элемента в комфортном температурном диапазоне, что, в свою очередь, способствует более долгому сроку службы аккумуляторов, стабильной работе и повышенной безопасности — и всё это без дополнительных энергозатрат со стороны насосов автомобиля.

Цитирование: 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

Ключевые слова: батареи электромобилей, охлаждение батареи, тепловое управление, пластинчатое жидкостное охлаждение, литий-ионные блоки