基于多目標優化的液冷板散熱性能分析

摘 要：為了提高冷卻板的冷卻性能和解決壓力損失大的問題，采用一種復合 X 型通道液冷板結構來研究鋰離子電池的散熱性能。以通道傾斜角、通道位置及入口通道上下夾角為設計變量，通過目標函數（平均溫度、溫度標準差、壓降）得到液冷板的綜合冷卻性能，進而確定液冷板的最優結構參數；通過單體電池實驗，得到電池在不同放電倍率下的產熱量及溫升特性；采用 Latin 超立方體（LHS）在設計空間內抽取 70 組樣本點，基于近似模型（RSA）建立設計變量與目標函數之間的關系，采用非支配排序遺傳算法Ⅱ（NSGA-Ⅱ）對RSA進行尋優，利用計算流體力學（CFD）驗證尋優結果的合理性。結果表明：液冷板的泵送功率得到有效改善，與初始模型相比，壓降降低了37.9%， 綜合冷卻性能提升了 55.3%。

關鍵詞： 鋰離子電池；電池熱管理系統（BTMS）；液體冷卻；多目標優化；壓力損失

中圖分類號： TM 912.9；U 464.138 文獻標識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.06.012

如今，為了實現“碳中和”這一全球目標，新能源汽車正在蓬勃發展[1]。針對電動汽車的續航及電池的儲能問題，許多研究人員提出各種電池，其中鋰電池因其能量密度高、單位容量大、壽命長等諸多優點而成為當前新能源汽車電源的主要選擇[2-4]。然而，鋰電池工作時性能會受到電池溫度的影響。一般來說，鋰電池工作時最高溫度不超過45 ℃ ，電池間的最大溫差在5 ℃ 以內[5]。如果溫度過低，電池容量將因高速充電/放電時的鋰鍍而顯著降低[6]，溫度過高會加速電池副反應和降解[7]。因此，一個有效的熱管理系統（batterythermal management system，BTMS） 對鋰離子電池具有重要意義[8]。

根據散熱方式的不同，BTMS 主要分為空氣冷卻[9-10]、液體冷卻[11] 和相變材料冷卻[12]。空氣冷卻熱管理系統具有可靠性和簡單性等優點[13]，但空氣冷卻的效率很低，并且不適用于電池大放電率的情況。相變材料具有高的傳熱效率，并且可以顯著降低電池模塊的最高溫度并保持溫度均勻性[14-15]。然而，由于成本高，它們目前在BTMS 中沒有廣泛使用。因此，相對于其他幾種熱管理系統，液體冷卻系統因其結構緊湊、冷卻能力高，應用最為廣泛。

目前，液冷系統的研究主要集中在冷板結構、通道形狀和數量的優化設計。ZHANG Furen 等[16] 提出了一種新型階梯通道液體冷卻熱管理系統，通過正交實驗優化了通道數、入口和出口的縱向長度、寬度、厚度等橫向結構參數，結果表明與原始模型相比，平均溫度和壓力損失減少了1.17 ℃和22.14 Pa。FENG Xiaohui等[17] 比較不同冷卻介質、不同流道、冷卻劑入口位置、液冷板材料、流道間距和流道寬度的影響， 結果表明流道間距115 mm、流道寬度15 mm 的鋁液冷電池組模型效果最好。WU Changkun 等[18] 通過設置合理的凹槽，改變了冷卻劑通道與電池表面之間的傳熱路徑，從而改變了電池表面溫度沿流動方向單調上升的基本特征，優化了溝槽的幾何參數，結果表明：與參考冷卻板相比，優化的可變傳熱路徑（variable heat transferpath，VHTP） 冷卻板在不同的放電速率和冷卻液質量流率下將電池表面的溫差降低了22.7 % 至25.4 %，同時略微提高了電池表面的最高溫度。QI Wenjie 等[19] 提出了液冷極板中的多U 型微通道，探討了不同多U 排列及其通道寬度從中心向四周等增量遞減對電池冷卻性能的影響，結果表明：側面排列的電池冷卻性能更好，并且當多U 通道寬度相等地減小1 mm 時，散熱最有效。FAN Yiwei 等[20] 受到仿生學的啟發，基于結構理論設計了一種新型（ 陽極、陰極） 雙層樹狀流道冷卻板，研究了3 個結構參數（ 長度比、高寬比、通道體積分數） 對表面最高溫度和溫度標準差的影響，最后與傳統的蛇形通道進行了比較，結果表明：在長度比為約0.70、高寬比接近70/100 以及通道體積分數約為0.06 時，獲得了最佳的最大溫度和溫度均勻性；優化后冷板的最高溫度和表面溫度標準差分別降低了1.79% 和69.25%。壓降降低了79.13%。

從上述文獻可以看出，對液冷板內部通道進行設計優化可以有效地提升液冷系統的冷卻效果，并且往往需要在優化過程中討論多種參數對散熱效果的影響。鑒于以上研究結果，本文提出了一種新型的 X 型液冷板結構，并且采用多目標優化算法對液冷板進行綜合優化。首先，基于非支配排序遺傳算法II（nondominatedsorting genetic algorithm Ⅱ，NSGA-Ⅱ）對通道傾斜角、通道位置及入口通道上下夾角進行了參數優化；其次，采用計算流體力學（computational f luid mechanics，CFD）進行數值計算和仿真；最后，通過對比分析不同結構形式液冷板的散熱性能及功耗，確定其最優的液冷板結構，以實現提高BTMS的冷卻性能和降低功率損失的目的。