针对传统电池组中普遍存在的热分布不均、峰值温度过高及热点生成问题，本文提出一种新型架构设计。该方案采用多端子配置，集成改进的电池组结构与多端子切换算法，可确定向负载供电的最优端子。电池组划分为四个区域，分别对应第一至第四串联串，端子点代表电池组级的四个热区。实验表明，1S、2S和3S三种双端子切换配置均显著改善热管理性能，其中3S配置在无冷却条件下使峰值区域温差改善超50%，且该多端子方案可有效控制峰值温度、热分布及热点生成。
【研究背景】
在圆柱形锂电池系统中，热管理至关重要，直接影响电池的性能、寿命和安全性。随着电动汽车对高性能电池需求的增长，研究电池发热问题并开发有效的散热方法变得愈发重要。电池组和模块的结构设计显著影响发热速度和热量分布。圆柱形锂电池的独特设计和组装方式带来了散热方面的特殊挑战，例如电池类型选择、冷却系统设计、串联或并联方式、电极布局、进出风口安排以及充放电控制策略等，这些因素均会影响发热情况。电池模块中的温度差异或热点现象，往往源于上述结构设计问题。
当前研究致力于为锂电池组优化散热环境，尤其在大规模应用中。例如，三维热模型显示自然对流时辐射占比达43%~63%，而圆柱形电池内外温差可达10°C，这对热模型精度至关重要。
电池形状和设计细节显著影响散热。软包电池的电极耳温度高于主体，加厚极耳可提升散热均匀性。外部散热改进包括：通过进气室、射流入口和涡流发生器设计，电池组温度降低21.5%，散热均匀性提升16%；或结合相变材料与并联电池组，利用其导热和储热能力控温。
冷却方法对比显示：空冷耗电量为其他方法的2~3倍，散热片增重40%；液冷中间接冷却效果更优。6m/s风速和283.15K入口温度虽利于散热，但增加功耗和设计复杂度。高倍率充放电时，电池径向温差较小，而纵向34mm、横向32mm交错排列的散热均匀性最佳。目前仍缺乏标准化热管理方案，且生热测量需更精准。
最新研究从电池结构和电流路径入手，如可重构多端子架构。我们提出一种多端子电池模块，通过软件切换电极对以动态调整电流路径，实现热量均匀分布，无需外部冷却系统。创新点包括模块级多端子设计、配套硬件及切换控制算法。
【主要内容】
1. 电池组技术方案与实验
新型电池组技术聚焦于优化电池模块架构和系统级设计，以解决传统设计中热点、热分布不均和局部高温区等问题。新设计通过分析产热源头和散热规律，评估冷却辅助方案（如冷却流量控制和通道布局优化），并在系统层面集成模块与其他组件，形成更可靠的电池组架构。
具体而言，新型电池模块（BM）采用双端子设计，替代传统单端子结构。模块使用LiFePO₄ 18650电池，按4串4并（4s4p）排列，尺寸为200×200×90 mm。两个端子（T₁和T₂）分别连接独立的电池管理系统（BMS），确保充放电均匀。电池间距设为22 mm，以平衡散热和热影响观察需求。
图1. 提出的架构。(a) 电池模块的示意图。(b) 电池组技术的示意图。(c) 所提出设计的组件。(d) 实际的电池组模块。
电池组（BP）架构中，传统设计仅使用一个BMS连接串联端子，而新方案集成两个BMS（BMS_1和BMS_2），通过继电器管理功率切换。充放电时仅一个端子工作，继电器控制器精准切换，以控制不同区域的产热和散热。
基于数值模拟结果，搭建实验平台验证设计效果。实验装置采用Orange A级IFR18650型LiFePO₄电池，组装成集总模块并置于定制亚克力外壳中，外壳侧边设有冷却进出口通道和线缆槽。
冷却系统支持自然对流和强制对流（通过PGSA2Z轴流风扇调节风速）。热数据采集系统包括微控制器、InfiRay P2 Pro热像仪、高温测试相机和LM35温度传感器，实验室温控制在25±2℃。
图2. 区域和分区的定义。(a) 电池模块顶视图的实际热图像。(b) 电池模块顶视图的示意图。
实验测试1C放电循环的热行为，将模块分为四个区域（对应四排串联电池）和四个热区（对应端子位置），红外热像仪从上方150 mm处拍摄热分布。端子切换由剩余放电深度（DOD）控制，通过继电器实现动态切换。
模拟计算风扇风速和质量流量，基于风扇转速和直径确定圆周速度，再通过体积流量和风扇截面积计算实际风速。空气流量按25℃时的密度计算质量流量，并用P=V×I计算风扇功耗。
图3. 模拟结果与实验结果对比。(a) 电池组平均温度。(b) 电池组最高温度。
电池产热和散热计算基于单位体积产热率与电池内阻、电流的关系。模拟与实验数据对比显示，平均温度误差小于1℃，但峰值温度差异较大，主要因模拟假设产热均匀，而实际存在局部热量堆积。
2. 实验结果
电池充放电过程中的生热是电池组温度变化的主要原因。在传统设计中，电池位置不同会导致散热不均。例如，在1C放电测试中：
自然对流（案例A）：15分钟后，1区（Z1）和2区（Z2）温度分别从25.8℃升至29.9℃和26.8℃升至32.9℃。Z2在350秒时超过温度阈值（初始温度+5℃），最终峰值达36.9℃，区域温差（ΔPr）为3.4℃。
强制对流（案例B）：风扇以3.354 m/s风速从1区进风，1区、2区和4区温度较稳定，而3区因散热差且靠近负载端，温度较高。强制冷却将峰值温差控制在2.3℃以内，但额外消耗19.5 Wh电量，且散热仍不均匀。
图4. 单端子放电循环的热图像。
2.1 多端子自然对流下的散热特性（MTNC）
1S切换（单次切换）：放电前30分钟使用4区端子，3区和4区温度升至29.8℃和29.4℃；切换至1区端子后，1区和2区温度上升，最终区域温差<2.3℃，比单端子方案降低32.35%，区域温差减少45.56%。
2S切换（两次切换）：每20分钟切换一次端子，首次切换后4区出现负生热率（-0.005℃/min），最终峰值温度32.8℃，低于单端子方案。
3S切换（三次切换）：每15分钟切换一次，区域温差最低达1.4℃，区域阈值穿越时间比单端子延迟950秒，散热均匀性最佳。
图5. 自然对流条件下多端子放电循环的热图像。
强制对流结合多端子切换时，1S案例中1区因进风冷却，温度比自然对流低3.3℃，但端子正极温度仍高于负极。实验表明，强制冷却仅能降低峰值温度，而切换机制才是改善热均匀性的关键。
放电测试显示，多端子切换对电流和容量无影响，电压仅在切换时有微小波动（ΔV<0.05V）。例如，1S切换时，1800秒电压线仅小幅下降，远低于基准曲线波动，证明多端子设计不影响系统性能。
3.讨论
本研究设计了一种新型电池结构，并对其进行了详细测试，重点考察了多端子电池组在两种散热条件下通过软件切换电极时的发热表现。主要发现如下：
高温度对比最：传统单端子电池的最高温度为36.9°C，而多端子电池中，2S配置可降温11.11%，1S和3S配置的降温幅度约为6.23%。
过热持续时间：单端子电池在400秒后即超过安全温度，之后90%的时间处于过热状态；而多端子电池中的3S配置可坚持到1300秒才过热，耐热能力显著提升。
温度分布均匀性：单端子电池在使用过程中温差可达3°C，而多端子电池的3S配置温差仅为1.4°C，温度分布更为均匀。
热点问题：单端子电池某些区域的温差高达9°C，局部过热明显；多端子电池通过电极切换，温差不超过5°C，热点问题显著改善。
风扇散热效果：仅使用风扇散热时，电池靠近风口的区域温度较低，但中间区域仍较热；结合多端子切换后，整体散热效果更均衡，无明显过热区域。
图6 不同切换条件下的区域级热分布特性。
4.总结
简单来说，多端子方案能有效控制电池组的温度分布和发热。测试表明，2S配置可降低局部高温，而3S配置能使温度分布更均匀。然而，当前研究基于实验室理想条件，仅考察了多端子切换的散热特性和稳定性。实际电动车用电情况更复杂，放电模式不固定，且未涉及频繁切换电极可能加速电池老化的问题，如内阻增加或锂金属析出。后续研究将探讨控制器在不同充电速度和动态负载下的表现，以及系统的长期稳定性，以评估该设计的实际潜力与限制。
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