热管理系列之四：冷板与蒸发管：散热结构设计的CFD方法论对比

• 液冷冷板的流道设计已从传统蛇形/平行流道进化到仿生分支结构（蜘蛛网、鱼骨、叶脉）+拓扑优化的组合范式，CFD单相流仿真+多目标优化已成标配；
• 直冷蒸发管侧则面临制冷剂两相流建模、干度分布不均、流型转变等本质性仿真难题。
• 两者的方法论差距，本质上是单相流与两相流的复杂度差距。共同趋势是分区冷却与按需冷却。

一、为什么要把冷板和蒸发管放在一起对比

动力电池热管理的两条主流液冷路线——乙二醇/水循环的间接液冷（冷板）与制冷剂直接膨胀蒸发（直冷蒸发管）——在系统层面解决的是同一个问题：把电芯产热搬运到环境。但从CFD仿真方法论的角度，两者几乎是两个不同量级的难题。

冷板侧，冷却液全程保持液态，流体物性（密度、比热、黏度）在工况范围内几乎不变，控制方程是经典的单相不可压缩Navier-Stokes方程+能量方程。工程师的主要工作是优化流道拓扑结构，让冷却液尽可能均匀地覆盖冷板表面，同时压低压降以减少泵功耗。

直冷侧，制冷剂在蒸发管内经历液态→气液两相→过热蒸汽的完整相变过程，流型从泡状流、弹状流到环状流依次转变，每一相的传热机理、压降规律完全不同。更棘手的是，多条蒸发管并联时，制冷剂在集管处的流量分配不均是一个至今没有被彻底解决的工程难题——有研究指出，对R134a制冷剂，流量分配不均可导致蒸发器性能降低20%～30%[1]。

这种"单相流vs两相流"的方法论差距，是本文讨论的起点。

二、液冷冷板：从蛇形到仿生的方法论跃迁

2.1 传统流道设计——一个已经触顶的基线

蛇形流道和平行流道是液冷冷板最经典的两种构型。它们的CFD仿真流程已经高度标准化：建立三维共轭传热模型（solid域+fluid域），划分结构化或非结构化网格，用稳态不可压缩求解器算出温度场和压力场，再用参数扫描或响应面法优化流道宽度、间距、入口流速等几何与运行参数。

但传统流道有两个本质局限：

• 蛇形流道：180°弯折处产生严重的局部阻力损失。有对比研究显示，在相同换热面积下，蛇形流道的压降（>100,000 Pa）远高于鱼骨流道（约4,929 Pa），综合性能评价因子PEC差距悬殊[2]。
• 平行流道：入口惯性效应导致各支路流量分配不均，靠近入口的支路流量偏大、远端偏小，直接造成电池模组的温度不均匀性。

这两类"老方案"在过去五年中几乎不再被作为最优解引用，它们的角色已经退化为仿生设计的对比基线。

2.2 仿生流道——向自然学习输运网络

2023—2026年间，受自然界输运网络启发的仿生流道设计成为液冷冷板研究的主线。这些设计共享一个核心理念：通过多级分支结构实现流体的均匀分配，用"广度优先"的覆盖策略取代"深度优先"的串联策略。

2.2.1 蜘蛛网启发流道

蜘蛛网结构的核心特征是放射状主通道与多级网状支路的组合。Xiong等人较早将这一结构引入电池冷板设计，基于12C极端放电倍率下的仿真表明，蜘蛛网流道冷板在最优参数下（通道宽度3 mm、通道角度120°）实现了良好的热平衡[3]。

更系统的数据来自Ren等人2025年的研究。他们将蜘蛛网通道与四叶草微通道冷板进行对比，发现仿生设计相比传统平行通道压降降低了32.93 Pa；相比蜘蛛网通道方案，四叶草微通道设计可进一步将冷板温度降低2.97°C[4]。

2026年的一项专利（CN 119812584 A）进一步提出了放射状主通道+网状直形支路的拓扑优化方案。仿真显示，相比叶脉流道，该结构在0.3 m/s高流速工况下压降减少9%，在0.01 m/s低流速工况下温度梯度降低22%[5]。该设计的关键创新在于：用网状直形支路替代分形末梢的渐缩通道，避免了叶脉流道在高速工况下截面收缩导致压降陡增的问题。

Yang等人2026年发表在《Renewable Energy》上的研究则从数据驱动角度切入，建立了蜘蛛网通道冷板的CFD代理模型。结果显示，仿生通道相比传统蛇形通道，电池电流密度提升1.1%，温度均匀性提升38%，压降最低降至0.61 kPa[6]。

2.2.2 鱼形孔导流板

鱼形导流板是浸没式液冷场景下的一个典型案例。Gao等人基于保角映射技术（conformal mapping），将圆形孔映射为鱼形流线型孔，在浸没式液冷电池堆中布置多孔导流板。CFD仿真结果表明[7][8]：

• 在3C放电倍率、质量流量0.00273 kg/s工况下，使用鱼形孔导流板相比无导流板结构，电池最高温度降低12.2%；
• 最大温差保持在5°C以内；
• 相比普通导流板，泵功耗降低42.1%；
• 相比圆形孔导流板，泵功耗降低11.8%。

12.2%的降温幅度在电池热管理领域是一个显著的数字。其物理机理是：鱼形孔的流线型结构降低了冷却液穿过孔时的阻力，使冷却液能更快到达出液口，减小进出口压降的同时维持了充分的横向混合。

2.2.3 叶脉/树叶脉管分支结构

叶脉启发的流道设计是仿生分支结构的另一重要分支。Tang等人（合肥工业大学）以车前草叶脉为原型设计了仿生冷板，仿真结果表明，在冷却液入口质量流量1 g/s、3C放电条件下，单入口双出口叶脉冷板可将电池最高温度控制在31.75°C、最大温差4.95°C，压降仅669 Pa[9]。

Liu等人受枫叶叶脉和流线型启发设计的液冷板，在相同换热面积下，叶形通道的性能优于直线通道、鱼骨通道和蛇形通道，充电时平均电池温度比直线和鱼骨通道分别降低0.4°C和0.14°C[8]。

2025年，Zhan等人在《International Journal of Heat and Fluid Flow》发表了叶脉型仿生通道的拓扑优化研究[10]。同年，Gong等人在《Advanced Materials Technologies》报道了基于3D打印的陶瓷/树脂复合材料叶脉液冷板，椭圆截面相比矩形截面在降温能力上提升31.7%，平均流速提升20.7%[11]。

2.2.4 鱼骨通道及其优化

2026年发表在《Thermal Science》上的一项研究对鱼骨流道进行了系统性优化[2]：

• 锥形主通道：出口宽度从12 mm缩小到2 mm时，最高温度降低0.14°C至37.19°C，但压降增加约12%，PEC仅提高0.7%；
• 后段支路缩窄：后段支路宽度缩小到2 mm时，温度标准差降至0.50°C；
• 增设分支通道：这是最有效的策略——6 mm分支长度使最高温度降低0.54°C至36.79°C，压降降低18%，PEC提高15%。

2.3 拓扑优化+CFD仿真的标配化

上述仿生设计的方法论有一个共同特征：CFD仿真与拓扑优化/参数优化已不可分割。单纯"画一个仿生形状然后跑一遍仿真"的做法已被淘汰，取而代之的是：

1. 初始仿生构型设计：基于自然界原型确定分支拓扑的基本形式；
2. 参数化建模：将通道宽度、分支角度、级数等作为设计变量；
3. CFD仿真驱动优化：使用正交试验设计、Box-Behnken响应面法（RSM）、BP神经网络或遗传算法进行多目标寻优；
4. 多目标权衡：同时优化最高温度（T_max）、温差（ΔT）、压降（ΔP）和综合性能评价因子（PEC）。

Fang等人2026年的研究是这一范式的典型代表。他们仿松树枝和蜂巢结构设计了双仿生复合冷板（DBCP），用Box-Behnken RSM优化了三个关键几何参数，最优配置下最高温度33.99°C、温差4.3°C，相比同体积直流冷板降温0.98°C、温度不均匀性降低22.65%[12]。

三、直冷蒸发管：一个难度跃升的仿真问题

3.1 直冷系统的基本原理与工程优势

制冷剂直接冷却（Direct Refrigerant Cooling, DRC）将电池直冷板直接作为制冷循环的蒸发器使用，制冷剂在其中蒸发吸热。相比间接液冷，直冷系统省去了一套电池支路零部件（水泵、管道、chiller），系统复杂度和重量降低，散热效率据称可达液冷系统的3～4倍[13]。

目前宝马、奔驰等企业的部分车型已采用直冷方案。但大规模应用仍受限于几个核心难题，而这些难题的根源几乎都指向仿真。

3.2 两相流建模——直冷仿真的核心难点

直冷仿真与液冷仿真在物理本质上的差异，可以用一句话概括：液冷仿真解的是"流体流过哪里、带走多少热"，直冷仿真解的是"制冷剂在哪里开始蒸发、蒸发到什么程度、流型怎么变"。

后者涉及的控制方程复杂度是前者的数倍：

• 多相流模型选择：主流选择包括VOF（Volume of Fluid）模型、Mixture模型和Eulerian模型。VOF模型适用于有明显气液界面的工况，但在泡状流和弹状流区域（气液无明显界面）误差较大[1]。Eulerian模型计算量最大，但能给出每一相的分布信息。
• 相变模型：需要耦合Lee蒸发-冷凝模型或类似相变模型，追踪气液质量传输。
• 流型转变：制冷剂沿蒸发管从入口到出口，可能经历泡状流→弹状流→环状流→过热蒸汽的完整转变，每种流型的传热系数和压降规律完全不同。
• 干度分布：制冷剂干度（vapor quality）从入口的低值逐渐升高到出口，干度分布直接决定局部传热系数。

3.3 制冷剂干度分布——温度均匀性的命门

直冷系统中，制冷剂干度分布是电池温度均匀性的决定性因素。这一点在AVL CRUISE M的系统级仿真中得到了清晰的展示[14]：

• 工况A（进口干度偏高）：制冷剂在流经第三组电芯时已完全汽化，第三组电芯的冷却全靠气态制冷剂的显热，电池自身温差偏大；
• 工况B（进口干度适中）：三组电芯对应的制冷管道全部处于两相流区域，冷却均匀。

两组模型的制冷剂流量完全一致、进口温度接近，但仅因干度差异就导致了截然不同的温度均匀性。这揭示了一个直冷设计的核心约束：必须确保制冷剂在所有并联蒸发管中维持两相流状态，避免局部过热蒸汽区域的产生。

3.4 并联蒸发管的流量分配问题

与液冷冷板的并联流道类似，直冷系统的多条蒸发管也面临流量分配不均问题。但由于两相流的特殊性，这个问题的处理难度大幅上升：

• 液冷侧的流量分配不均主要由入口惯性效应和流道阻力差异引起，通过流道拓扑优化基本可以解决；
• 直冷侧的流量分配不均还叠加了气液相分离效应——两相流体在集管处会发生气液分离，气体倾向于进入阻力小的支路，液体倾向于进入阻力大的支路，导致各支路的干度和流量同时不均。

有研究表明，在集管中加入分流管/分流板可以有效改善流量分配均匀性[1][15]。但在电池直冷板的紧凑空间内，这种结构措施的实施空间有限。

3.5 直冷CFD仿真的工程实践路径

目前工程界处理直冷仿真的典型路径包括：

1. 系统级1D仿真：使用AVL CRUISE M、AMESim等工具，建立包含压缩机、冷凝器、膨胀阀、直冷板的完整制冷回路模型。制冷剂侧采用两相流蒸发模型，通过干度沿程变化分析温度均匀性[14]。
2. 三维CFD两相流仿真：使用STAR-CCM+、ANSYS Fluent等工具，对直冷板内部进行详细的两相流相变仿真。需要选择合适的多相流模型（EMP模型较为常用）和相变模型，并进行实验验证[13][16]。
3. 降阶模型：将三维CFD结果映射到1D系统模型，实现快速迭代设计。

需要指出的是，直冷仿真的实验验证难度显著高于液冷仿真。液冷仿真只需测量温度和流量即可验证，直冷仿真还需要测量沿程干度、流型等参数，实验成本和技术门槛更高。有研究报道多相流相变温度的仿真误差可控制在0.5°C以内[13]，但这一精度是否足以支撑工程设计决策，仍需更多案例验证。

四、方法论对比：一张表看清差距

五、共同趋势：分区冷却与按需冷却

无论液冷还是直冷，2024—2026年的研究呈现出一个明显的共同趋势：从"均匀冷却"走向"按需冷却"。

在液冷侧，仿生分支结构的本质就是一种空间自适应的流量分配——通过多级分支让冷却液到达每一个需要散热的区域，而非简单地让冷却液从入口流向出口。蜘蛛网流道的放射状分支、叶脉流道的分级收缩、鱼骨流道的主支路组合，都是在追求"让冷却液去它该去的地方"。

在直冷侧，按需冷却的核心诉求是"让制冷剂的蒸发发生在它该发生的地方"。通过控制进口干度、蒸发温度和流量分配，确保每条蒸发管中制冷剂全程处于两相流状态，避免局部过热蒸汽区域的产生。

这一趋势的下一步，很可能是与电池管理系统（BMS）深度耦合的智能热管理——根据电芯的实时产热分布，动态调节冷却液流量或制冷剂蒸发温度，实现真正的"按需冷却"。

六、几个需要承认的不确定性

在撰写本文时，有几个数据点和判断需要标注不确定性：

1. "鱼形导流板使3C放电下电池最高温度降低12.2%"：这一数据来源于Gao等人的专利及综述文献的引用[7][8]，具体实验条件为3C放电、质量流量0.00273 kg/s、与无导流板结构对比。不同放电倍率和流量条件下，降幅会有变化。

2. "蜘蛛网启发换热器温差3.86°C、压降22.75Pa"：这一数据在搜索过程中出现在多个引用蜘蛛网流道研究的文献中，但具体出处指向Xiong等人的原始研究。不同参数设置下的数值可能有差异，建议在引用时核对原始文献。

3. 直冷散热效率"3～4倍于液冷"：这一说法在工程文献中被广泛引用[13]，但缺乏统一的对比基准（放电倍率、环境温度、系统配置等），实际工程中的优势幅度可能因具体设计而异。

4. 仿生流道的量产可行性：目前绝大多数仿生流道研究仍停留在仿真和实验室阶段。部分研究已引入3D打印制造（如陶瓷/树脂复合材料叶脉液冷板[11]），但大规模量产的成本和工艺可行性仍是未解问题。

七、FAQ

Q1：仿生流道设计已经这么多了，哪个最接近量产？

目前最接近量产的是经过拓扑优化后的仿生分支流道，而非直接复刻自然界的复杂结构。原因在于：(1) 仿生分支结构（如蜘蛛网、鱼骨）的几何参数相对可控，适合用CNC或钎焊工艺制造；(2) 过于复杂的仿生结构（如多级分形叶脉）对制造精度要求极高，成本难以接受。专利CN 119812584 A提出的放射状主通道+网状直形支路设计，在性能与可制造性之间取得了较好的平衡。

Q2：直冷系统的仿真能不能完全沿用液冷的CFD方法？

不能。液冷仿真的核心是单相不可压缩流动+共轭传热，控制方程成熟、求解器稳定。直冷仿真需要额外处理相变（液→气）、流型转变、干度分布和多相流模型选择等问题。直接使用液冷的仿真流程（如稳态不可压缩求解器）无法捕捉两相流的物理过程。工程上通常需要使用Eulerian多相流模型或专门的相变模型，并进行实验验证。

Q3：鱼形孔导流板只能用于浸没式液冷吗？

鱼形孔导流板的核心价值在于通过流线型结构降低流动阻力、促进横向混合，这一原理同样适用于冷板式液冷。但在实际文献中，鱼形孔导流板的研究主要在浸没式液冷场景下开展[7][8]，原因是浸没式液冷的流场更为复杂，导流板的价值更加显著。冷板式液冷的流道本身已经提供了明确的流动路径，导流板的必要性相对较弱。

Q4：拓扑优化在直冷蒸发管设计中是否也能像液冷那样发挥作用？

理论上可以，但实际应用的难度显著更高。液冷的拓扑优化目标相对清晰（优化流道拓扑以最小化温差和压降），且流体物性恒定、控制方程线性度较好。直冷的优化问题中，制冷剂的干度、流型、传热系数都是非线性耦合的，设计空间更大、计算成本更高。目前直冷的优化主要停留在系统级参数匹配层面（如蒸发温度、过热度、流量分配），流道拓扑级的优化尚处于探索阶段。

Q5：从工程落地角度看，液冷和直冷哪个会先实现"仿生设计"？

液冷。原因很简单——液冷单相流仿真的成熟度高、制造工艺兼容性好、验证成本低。仿生液冷冷板已经在大量学术研究中得到了实验验证，部分设计（如鱼骨流道优化、蜘蛛网流道）已进入专利申请和工程预研阶段。直冷的仿生设计（如仿生蒸发管路径规划）目前还主要停留在概念阶段，两相流仿真的不确定性和实验验证的高成本是主要障碍。

八、参考文献

[1] 王志刚等. 平行流蒸发器制冷剂流量分配特性[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2019, 52(2). http://tjxb.cnjournals.cn/html/2019/02/18191.htm

[2] Zhan et al. Investigation on Enhancing Thermal Performance of the Li-ion Battery Pack with Fishbone Channel Liquid Cooling Plate and Optimized Flow Channels[J]. Thermal Science, 2026. https://thermalscience.rs/pdfs/papers-2026/TSCI250918047Z.pdf

[3] Xiong et al. Numerical analysis of cylindrical lithium-ion battery thermal management system based on bionic flow channel structure[J]. Journal of Energy Storage, 2023. https://www.researchgate.net/publication/370565550

[4] Ren Y, Lv B, Ran Z. Application of Computational Fluid Dynamics — Optimized Biomimetic Microchannel Liquid-cooled Plates in Battery Thermal Management Systems[J]. 2025. https://pdfs.semanticscholar.org/d973/13a453be900c55e60c946e5261d05fa1adaa.pdf

[5] 一种用于锂电池散热的蜘蛛网流道冷板[P]. CN 119812584 A, 2025.04.11. https://patentimages.storage.googleapis.com/d1/63/48/825703aae9153b/CN119812584A.pdf

[6] Yang X, Lu S, Li Z, et al. Model-based and>本文内容仅代表基于公开学术文献的技术分析与讨论，不构成任何工程设计建议或产品推荐。文中涉及的专利信息和工程实践描述仅供学术参考，具体工程应用请以实际验证结果为准。文中观点不代表任何机构立场。

关键词：冷板液冷, 直冷蒸发管, 仿生流道, 蜘蛛网流道, 鱼形导流板, 叶脉通道, 拓扑优化, 两相流CFD, 制冷剂干度分布, 电池热管理仿真