考虑冷板间相互作用的多冷板电池热管理系统在最小化温差方面的设计优化

为何更凉的电池对日常驾驶者很重要

随着电动汽车变得越来越普及，电池组内部的状况在悄然影响着续航里程、电池寿命和安全性。本文研究如何使用精心调节的载冷液金属冷板，让数百个紧密排列的锂离子电池维持近乎相同的温度。通过重新设计这些冷板如何分配冷却液，研究者表明小幅的结构调整即可在不增加能耗的情况下明显均衡温度。

电动汽车电池内部的隐蔽热量

现代电动汽车依赖由众多独立锂离子电池组成的大型电池组。电池在充放电时会产生热量。如果某些电芯比其他电芯更热，它们会更快老化、可能输出更少功率，在极端情况下还可能出现安全隐患。因此，汽车制造商不仅要将电芯温度控制在安全范围内，更重要的是尽量缩小最热与最冷电芯之间的温差——理想情况下控制在几摄氏度以内。

冷板如何保持电池组的温控

许多电动汽车采用间接液冷方案：扁平金属冷板位于电芯堆叠下方，冷却液在冷板内部的通道中流动。本文研究的电池组中，五块长冷板位于五个棱柱形电池模块下方。所有冷板共用单一的冷却液入口和出口，也就是说冷却液从一侧进入，在冷板间分流后再汇合并流出。早期研究常假设每块冷板获得相同流量并且互不影响，但实际上这些冷板在液力上是连通的，冷却液自然会偏好某些流路。

流量不均带来温度不均

通过对流体流动和传热进行详尽的计算机模拟，作者首先检验了原始设计（所有冷板通道宽度相同）。他们发现冷却液选择了阻力最小的路径：靠近入口和出口的冷板获得了大部分流量，而最远的那块冷板几乎没有冷却液。那些得到充分冷却的冷板有效带走热量，但位于冷却不足冷板上的电芯温度升高。在每块冷板内部，冷却液随流动也会升温，因此靠近下游端的电芯比靠近入口的电芯略热。在整个75个电芯的电池组中，最热与最冷电芯之间的温差接近4开尔文，即便最大温度仍在可接受范围内。

用智能微调替代更大功率的泵

研究团队没有选择增加更多泵、入口或笨重硬件——这些在实际车辆中往往难以实现——而是把流道本身当成可调旋钮。他们允许每块冷板的通道宽度独立变化，并允许通道从进口到出口逐渐收窄。较小的通道会增加流阻，温和地把冷却液推向其他冷板；而收敛的通道会在下游加速液体，增强局部散热。由于对每种可能组合进行完整仿真太慢，研究者构建了一个快速的数学替代模型，并使用进化优化算法搜索最佳的通道尺寸组合和整体流量。

在不额外耗能的情况下实现更均匀的电池组

优化设计使五块冷板之间的冷却液分布更加均匀。靠近入口和出口的冷板最终采用了更窄的通道，从而提高了它们的阻力，促使更多冷却液流向此前被忽视的远端冷板。同时，通道沿流向逐渐变窄的形状改善了靠近出口处的冷却并减少了每个模块内部的温度梯度。随着流量与换热面积的权衡，各冷板的净换热变得更为相近。结果是电池组的电芯间温差显著下降——从约3.98开尔文降至1.73开尔文——峰值温度略微降低，而泵浦功率基本保持不变。

这对未来电动汽车意味着什么

对非专业读者来说，核心信息是更聪明的几何设计有时可以替代更大的硬件。通过精心调整冷却通道的尺寸与形状，工程师可以引导冷却液流向最需要散热的区域，从而平衡大型电池组的温度。这有助于将每个电芯维持在舒适的温度范围内，进而延长电池寿命、保持性能一致并提升安全性，而无需额外增加车辆泵的能量消耗。

引用: 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

关键词: 电动汽车电池, 电池冷却, 热管理, 液冷冷板, 锂离子电池组