武汉理工李捷&湖北大学吴小虎JES: 基于双相变材料与液冷耦合的电池热管理

在全球大力发展电动汽车、对电池安全与寿命要求不断提高的背景下，锂离子电池工作温度通常需要维持在 293~323K 的区间，否则会出现性能衰减、寿命缩短甚至热失控风险，因此高效可靠的电池热管理系统至关重要。

目前主流的相变材料散热技术，虽能通过潜热平稳控温，但存在导热系数低、单一熔点难以适应环境温度变化、纯被动散热扛不住高倍率放电等问题。虽然单层相变材料与风冷、液冷耦合已成为研究热点，双层相变材料也开始被用于拓宽适应温度范围，但现有双层结构仍有热阻增加、多局限于被动冷却等缺陷。

为此，本文提出一种双相变材料纵向交替排布 + 主动液冷耦合的新型方形电池热管理系统，以 20Ah 磷酸铁锂电池为研究对象，通过数值模拟对比不同环境温度、放电倍率、冷却液流量及相变材料分区数量下的散热效果，并评估热失控工况下的安全性能，旨在解决传统方案环境适应性差、高温高负荷散热不足的关键问题。

研究设计了双高导热相变材料与液冷流道一体化的电池热管理系统，以20 Ah 商用磷酸铁锂方形电池为研究对象。为兼顾计算精度与效率，采用热对称简化模型，在电池间隙中将两种相变材料交替排布并内嵌液冷通道，固定相变材料层厚 10 mm、液冷管道半径 1 mm。

图1 电池热管理系统示意图：(a) 电池模组；(b) 计算域

采用COMSOL进行瞬态 CFD 仿真，耦合传热与层流场，设置对称边界与自然对流条件。通过四面体网格 + 边界层加密并完成网格无关性验证，确定100 万以上网格可保证精度与效率。经与文献模型对标，仿真结果误差仅 0.2%，验证了电池生热与相变吸热模拟的可靠性。虽无新型结构对照实验，但核心物理机制已充分验证，可支撑后续高倍率工况研究。

图2 计算网格示意图

图3 网格无关性验证

为验证双相变材料（PCM）的环境适应性，研究在293.15 K、303.15 K、313.15 K三种环境温度、3C 放电下对比单 / 双 PCM 方案，结果表明：

放电倍率为5C 的放电温度云图进一步证实，双 PCM 为阶梯式协同散热：PCM1 先抑制初始温升，PCM2 承接高温段热量，配合液冷维持温度梯度，实现更宽温域内的稳定控温，其优势仅在至少一种 PCM 可相变吸热的区间内体现。

图4 不同环境温度下单 / 双相变材料模型的电池最高温度随时间变化：(a) 293.15 K；(b) 303.15 K；(c) 313.15 K

图5 不同环境温度下单 / 双相变材料模型的 PCM 液相率随时间变化：(a) 293.15 K；(b) 303.15 K

图6 双相变材料模型下电池不同时刻温度云图（放电倍率：5C；冷却液流量：1 g/s）

论文研究了不同放电倍率下双相变材料电池热管理系统的热特性，结果显示在 293.15 K 环境中，电池最高温度随 3C 到 7C 放电倍率提升而明显升高，5C 以上高倍率仅靠相变材料被动冷却会显著增加热失控风险；放电初期电池温度快速上升，双相变材料依次发生相变吸热，与液冷共同散热，使后期温升放缓，且放电倍率越低，PCM1 与 PCM2 的熔化及温度变化越平缓；在 303.15 K 下 PCM1 已呈液态，仅 PCM2 发挥潜热作用，而 313.15 K 高温时两种相变材料潜热均耗尽，电池温度随负载大幅上升，需提高冷却液流量才能实现有效控温。

图7 不同放电倍率下双相变材料电池模型放电结束时的最高温度云图

图8 不同初始环境温度下，双相变材料电池模型的最高温度随放电时间变化：(a) 293.15 K；(b) 303.15 K；(c) 313.15 K

图9 不同初始环境温度下，双相变材料电池模型的液相率随放电时间变化：(a) 293.15 K；(b) 303.15 K

在 293.15 K、7C 放电条件下，提高冷却液流量可降低电池最高温度，但降温边际效益递减，且压降与泵功显著上升，适中流量能在散热效果与能耗间取得最优平衡；同时，相变材料分区数从 5 增加到 9 时，因换热面积占优使电池温度持续下降，而超过 9 区后，单流道流速与换热强度下降的负面影响凸显，温度反而回升，表明9 分区为该结构的最优区间。

图10 不同冷却液质量流量下双相变材料电池模型的最高温度随时间变化（放电倍率：7C）

图11 不同相变材料分区数量下双相变材料电池模型的最高温度随时间变化（放电倍率：7C；冷却液流量：1 g/s）

研究通过模拟局部热滥用极端工况，对比验证了双 PCM‑液冷复合系统的热失控抑制能力。结果表明，无冷却的直接接触结构会使热量快速蔓延，两节电池温度均超 400 K，安全风险极大；纯 PCM 系统虽能短暂延缓传热，但触发电池仍达 400 K，PCM 熔尽后相邻电池温度仍升至 370 K，防护有限；而双 PCM 与液冷耦合的复合系统可将触发电池温度稳定控制在 325 K 以内，相邻电池保持在 313 K 以下，热隔离与散热效果最优，能有效阻止热蔓延、保障模组安全。

图12 热失控工况下 1200 s 时触发电池 1 与相邻电池 2 的温度云图

图13 热失控工况下电池 1 与相邻电池 2 的最高温度随时间变化规律

本文提出一种双高导热相变材料与液冷流道集成的新型电池热管理系统，经数值模拟得出四项核心结论：

一、双相变材料结构比单相变材料拥有更好的环境温度适应性，在三种典型环境温度下散热更稳定

二、 293.15 K 时，PCM1 完全熔化时间随放电倍率升高而缩短，低倍率下相变与温升更平缓

三、相变材料分区数在5–9 区时电池温度持续降低，超过 9 区后温度反而上升

四、该复合系统在热失控工况下，可将失控电池温度控制在 325 K 内，相邻电池控制在 313 K 内，安全防护效果突出。