新能源汽车电池热管理系统优化设计与性能提升研究

引言

随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，新能源汽车产业得到了迅速发展。电池作为新能源汽车的核心部件，其性能直接影响着整车的运行效率和续航里程。然而，电池在高温、低温等复杂环境下，容易出现过热、过冷等问题，导致电池性能下降，甚至引发安全事故。因此，新能源汽车电池热管理系统的结构优化与性能提升项目具有重要的现实意义。

一、电池热管理系统的技术瓶颈分析

当前新能源汽车电池热管理系统在实际应用中存在以下核心挑战，其本质源于物理特性限制与工程化需求间的矛盾：

1. 散热均匀性难以保障：电池模组内部因电芯排列位置差异，天然存在产热不均现象。靠近极柱的电芯因电流通路短，发热量显著高于中心区域，导致模组边缘与中心温差可达 5℃以上。这种温度梯度会直接引发充放电效率差异：高温区域电芯因内阻降低易出现过充倾向，而低温区域则因活性不足导致过放风险。长期运行后，电芯容量衰减速率差异将超过2 0 % ，显著缩短电池组整体寿命。

2. 能效转化存在固有矛盾：液冷系统虽具备散热上限高的优势，但其泵体功耗与冷却效率呈强相关特性。实验数据显示，当冷却液流速提升至3 L/ m i n 以上时，泵功占比可达整车辅助能耗的 1 8 % - 2 2 % ，直接抵消部分续航里程收益。更严峻的是，为追求极端工况下的安全性，系统设计往往采用冗余配置，导致常温巡航工况下仍存在 3 0 % - 4 0 % 的能耗浪费，形成大马拉小车的困局。[1]

3. 全气候适应性存在短板：低温环境对热管理系统构成双重考验：PTC加热膜的功率密度限制使其在 - 2 0 % 以下环境需 20-30 分钟预热才能启动电池，而热泵系统在 -10℃时 值（能效比）骤降至 1.5 以下，制热能耗剧增。高温场景下，传统风冷系统因空气导热系数低（仅 0 . 0 2 6 W / m ⋅ K ），在 40℃环境温度中电池温升速率可达 ，远超安全阈值。这种低温启动难、高温散热慢的特性，使得现有系统难以满足跨温区运行需求。

二、多维度优化设计策略

（一）流道结构改进方案

传统液冷板采用直线型流道设计，冷却液沿固定路径流动，导致模组边缘区域因流速衰减出现散热盲区。改进方案可引入分级分流结构：主通道采用渐扩式设计降低入口压力，分支通道按电池排布密度调整间距，使冷却液流动阻力较传统设计降低 3 0 % 。通过在分支末端增设回流槽，可引导液体形成微循环，避免局部滞留。[2]

流速控制采用三通电磁阀组实现分区调节：将电池包划分为6-8 个温控区域，每个区域配备独立阀门。当 BMS 检测到某区域电芯温度上升速率超过 时，对应阀门开度自动增大 20 % ，优先保障高负荷区域的散热需求。实测数据显示，该方案可使电池包最大温差控制在2℃以内，较传统方案提升 6 0 % 的均温性。

（二）复合相变材料应用方案

在电池模组间隙填充定制化相变材料（PCM），其核心成分由石蜡基体与石墨烯导电剂复合而成。该材料在 温度区间发生固液相变，潜热值经测试达 1 6 5 J / g ，可有效吸收电池大电流充放时的尖峰热量。通过在 PCM 中建立三维石墨烯网络，其径向导热系数提升至 2 . 8 W / ( m ⋅ K ) ，横向热扩散速度是传统材料的3 倍，避免热量在局部堆积。

材料封装采用蜂窝状铝支架，每个单元格尺寸与电芯间距匹配（通常为 8-1 0 m m ）。这种结构既保证 PCM 与电芯侧面的充分接触，又通过铝材骨架提升整体结构强度。相较传统液冷板方案，PCM 模块质量减轻 3 5 % ，在Z 向空间占用减少 1 5 m m ，为电池包扩容留出更多余量。

（三）智能控制策略实施方案

控制算法基于电池等效电路模型搭建：通过实时采集电压、电流及表面温度数据，利用卡尔曼滤波算法估算电池内阻变化，进而预测未来 5 分钟内的产热功率。当预测值超过当前散热能力阈值时，系统自动切换工作模式：低温环境下（ 以下）启动脉冲自加热策略，利用电池内阻生热实现快速升温；高温时段（ 以上）则激活液冷主回路，同时PCM 进入蓄热状态。

工况预判功能通过车载 T-BOX 实现：系统每日首次上电时自动下载未来 24 小时天气预报及导航路线数据，结合历史行驶习惯生成热管理预案。例如，预知将进入拥堵路段时，提前将电池温度控制在 28-30℃最佳工作区间，避免频繁启停导致的温度波动。[3]

三、系统性能提升路径

（一）全温域能效优化

热管理系统需覆盖 $- 3 0 \\%$ 至 的极端工况，其能效优化需从热源利用和换热方式两方面突破。在低温环境下，传统 PTC 加热方案存在能耗高的痛点。改进方案通过四通阀切换管路，将驱动电机、电控模块的余热引导至电池包：当电机冷却液温度高于电池温度 5℃时，自动开启热交换循环。

在高温散热方面，传统液冷系统依赖冷却液与电池表面的对流换热，存在传热路径长的固有缺陷。改进方案采用制冷剂直冷技术，将蒸发器直接集成在电池模组底部。制冷剂在蒸发器内汽化时直接吸收电池热量，省去中间换热环节，使换热效率提升 2 5 % 。配合电子膨胀阀的精确控制，可实现 的精准控温，较传统方案能耗降低 18 % 。

（二）主动安全防护机制

传统方案仅关注电芯表面温度，存在监测盲区。改进系统同步采集电压、电流及气体浓度数据：当检测到某电芯电压下降速率超过 0 . 5 m V / s ，或相邻电芯温差超过 3℃，或气体传感器捕捉到 C O 浓度异常时，立即启动三级预警机制。一级预警仅提示用户检查，二级预警限制充放电功率，三级预警则直接切断主回路。

应急处理环节采用复合防护策略：在电池包底部预置高沸点冷却液管道，当 BMS 判定进入热失控阶段时，电磁阀瞬间开启，冷却液通过喷淋板均匀覆盖模组表面。该液体沸点达 1 2 0 % ，可在电芯间形成液膜屏障，阻断热蔓延通道。

四、未来技术应用展望

随着 800V 高压平台逐步成为中高端车型标配，动力电池的充放电倍率将突破 4C，这对热管理系统的响应速度与控制精度提出更高要求。未来技术演进需重点突破三大方向：超薄均热板：研发厚度 < 2 m m 的柔性导热组件，适配CTP（Cell to Pack）无模组电池包；固态电池适配性：针对固态电解质低温离子电导率低的问题，开发局部电加热 - 整体液冷的复合方案；AI 自学习系统：基于用户驾驶习惯的深度学习模型，实现热管理策略的个性化定制。[4]

结论

本文从结构、材料、控制三个维度构建了电池热管理系统的优化框架，通过仿生设计、复合相变材料及智能算法的协同创新，有效解决了散热不均、能耗偏高及环境适应性差等痛点。未来需进一步探索热- 电- 结构耦合机制，推动热管理系统向智能化、集成化方向演进。

参考文献

[1] 张海建 , 韩博娜 . 新能源汽车动力电池散热管理系统及软件优化设计研究 [J]. 越野世界 ,2021(12):17,19.

[2] 刘红艳 . 新能源汽车动力电池散热管理系统及其软件优化设计 [J].汽车画刊 ,2024(3):42-44.

[3] 马腾 , 黄毅轩 . 新能源汽车动力电池散热管理与优化 [J]. 汽车知识 ,2023,23(2):89-91.

作者简介：郭乾隆，性别：男，出生年月199803，27，民族，汉，籍贯，安徽阜阳，学历：本科，职称二级实习指导教师，单位：颍上技工学校，主要研究方向