用于电力卡特蓄电池热管理的针鳍冷板单向流动与传热优化：综合实验、仿真与多目标优化研究

为解决高功率电池组的热管理挑战，本研究提出了一种结合直通道和针脚鳍片的新型混合冷板。冷板的结构和操作参数通过结合多目标优化、数值模拟和实验验证的综合方法系统优化。结果表明，圆形针鳍（C-Pin-fin）结构实现了最佳的热液压性能。在质量流量为0.03 kg/s时，与传统直通道设计相比，最大温度降低2.9 K，温差减少0.7 K。灵敏度分析显示，通道高度是影响压降的主要因素（灵敏度为44.2%），而质量流量主要影响温度均匀性（灵敏度为53%）。与基线模型相比，优化设计提升了23.1%的温度均匀性，降低了43.2%的压降，最大降低了16%的热阻，最大冷却效率系数达到15452。此外，1.5毫米的槽道高度被认为是平衡性能和结构紧凑性的最佳选择。该设计的优越性能经过实验验证，展示了其在先进电池热管理系统的应用潜力。

简介

由于化石燃料枯竭和环境问题，全球能源系统需要转型。汽车行业通过开发电动汽车支持这一转型，电动汽车能够减少对石油的依赖和污染[[1]，[2]，[3]]。作为这些车辆的关键部件，锂离子电池因其高能量密度和循环寿命而备受重视，显著提升了性能[4]。这些电池在20-40°C的有限温度范围内表现最佳 [[5]， [6]， [7]]。温度偏差超过该范围会导致加速劣化，而过热可能导致热失控并带来安全风险[8]。这些特性要求热管理系统支持电池效率、寿命和运行安全[9,10]。
目前用于电池热管理的冷却技术包括空气冷却[11,12]、相变冷却[13,14]、热管冷却[15,16]和液冷[17,18]。风冷成本效益高且易于维护，但对于高能量密度电池来说仍不足。相变冷却通过潜热交换提高了效率和温度均匀性，但其转变后冷却能力限制了实际应用[14]。热管冷却通过内部流体相变展现出高热效率，但其采用受限于成本和对安装条件的敏感性[17]。相比之下，液冷在散热效率、降噪和能耗方面表现出色，使其成为商业上的主流解决方案[18]。作为液冷系统的关键组成部分，冷板的热-液压性能对BTMS的有效性至关重要[19]。
系统设计必须考虑冷却剂特性、流量、通道几何形状、压降和路径尺寸 [[20]， [21]， [22]， [23]]。例如，Deng等人[24]证明水乙二醇混合物在相同流动条件下优于矿物油，而Tong等人[25]则强调了流量和板厚对温度变化的显著影响。
冷却液流通道的配置在决定电池热管理系统（BTMS）冷却性能方面起着关键作用。蛇形和平行配置代表了冷板的两种主要几何设计。通过对一种新型蛇纹石结构的连续变量优化，Yang等人[26]展示了与基线模型相比，最高温度下降了2.1°C，温差下降了1.2°C，平均温度下降了2.8°C。然而，蛇纹石通道的高流阻特性导致能耗大幅增加。相比之下，平行通道配置的流阻显著降低，但冷却效率降低[27]。
Panchal 等人 [28]、Jarrett 等人 [29] 和 Karimi 等人 [30] 分别研究了蛇形、U形和Z形流程冷板。研究表明，这些配置提供了更大的冷却剂接触面积以吸收热量，从而在热性能和温度均匀性上优于线性流路。钱等人[31]提出了一种单一进出口的微通道液冷系统，分析了通道数量、入口质量流量、通道方向和通道宽度对棱柱式电池组热行为的影响。结果表明，拥有五个通道的冷板已足够，增加入口质量流量可以显著降低温度。Huo等人[32]探讨了通道数量、流向和入口质量流量对热传递性能的影响。结果显示，通道数量和入口质量流量的增加导致最高温度下降，而流向的影响随着流量增加而减弱。Kong 等人[33]实现了带有逆流结构的发散通道，以降低最大温差和压降。与直通道相比，最大温度降低了0.8 K，压降降低了7.2%。Salami等人[34]开发了一种非均匀波浪微通道，通过比较共流和逆流配置来解决电池温度梯度问题。结果显示，逆流模式实现了73.1%的温差降低。Wu 等人[35]设计了一种基于分支微通道的拓扑优化方法，以增强沿流向的热传输能力。与流线型冷板相比，拓扑优化的冷板分别降低了10.3%、59.4%和23.9%的最高温度差和压降。
通常，冷板通道中形成热边界层会导致对流传热性能下降，导致最高温度升高和温度分布不均。因此，多项研究聚焦于开发冷板，旨在破坏边界层生长，以提升冷却性能并减少抽水功率需求。Mohammed等人[36]提出了一种带有螺旋针鳍、错落排列的冷板。研究发现，这种涡流发生器的应用能增强冷板与冷却剂之间的有效热传递面积，同时最小化冷板内的冷却剂压降。Mubashir等人[37]提出了一种新型轻量化冷板设计，采用圆形空心散热片，并进行了数值研究，以探讨空心散热片直径、散片间距、板厚和流向的变化对电池热性能的影响。结果显示，采用空心散热片的冷却结构分别降低了最大温度、温差、冷板质量和功耗6%、29%、55.2%和85.9%。Chen 等人[38]通过在蛇形通道中嵌入涡旋生成结构，提高了散热和温度均匀性。他们的研究结果表明，增加蛇形通道内空腔的高度和直径能提升液冷板的热性能。相反，增加肋骨的长度和直径则呈现相反趋势。Choi 等人[39]引入了一个带有倾斜翼翼的发散通道，以调节冷却剂速度和传热面积。实验显示，温差和抽水功率分别可降低19.07%和67.8%。此外，还研究了方针鳍（SPF）、圆形针鳍（CPF）和椭圆形针鳍（EPF），以实现最佳热性能和可接受的泵送功率[40]。从能源效率角度看，CPF因其更高的传热系数和相对较低的摩擦系数而被推荐。尽管开发了多种新型冷板以提升热液力性能，但通常以更高的热传导速率为代价，牺牲了泵送功率的提升。
为进一步提升液冷板的热水力性能，已实施多目标优化方法，考虑冷板的结构和操作参数 [[41]， [42]， [43]]。Chen 等人[41]采用多目标优化，提升并联冷板在2.5°C快充条件下的热能和能耗性能。通道深度被确定为最重要参数，能耗、最高温度和温差分别减少了26.9%、2.1%和23.7%。Zuo等人[42]通过多目标优化优化了多通道冷板的平均热传递系数和能量消耗（W）。结果显示，进气口速度对平均传热系数和冷板能耗的影响最为显著。赵等人[43]提出了一种具有非均匀圆形针鳍的新型冷板。经过多目标优化，研究表明，沿流向逐步增加针-鳍直径可分别降低29.84%和17.43%的功耗和温度标准差，相较于均匀针-鳍配置。为了实现更高效的电池热管理系统（BTMS），有必要纳入多种潜在设计变量，并利用多目标优化来平衡能源成本与热性能。通过这种方式，可以实现最佳的传热性能和能效，以满足日益严格的热管理要求。
正如上述研究进展所示，尽管通过整合多目标优化方法，冷板通道结构的设计取得了显著进展，带来了传热效率和能耗性能的显著提升，但现有研究主要集中在单个电池或由有限电池组成的小型电池组。针对20多个电池单元及其对应的大尺寸冷板的研究仍然相对稀少。当如此大型电池模块产生的高热负荷与冷板体积极为受限相结合时，温度上升、温度均匀性和与压降相关的能量成本等关键问题将变得更加棘手。因此，开发旨在进一步提升传热能力、实现热性能与能源成本之间最佳平衡的新型冷板设计，对于满足日益严苛的热管理需求至关重要。
目前提出的混合配置冷板采用多通道和针鳍复合结构，基于层间热管理系统，旨在为24个100安培放电的电池单元提供节能冷却解决方案。首先建立了电源电池针鳍通道的数值模型。通过对不同几何形状的直通道与针鳍通道进行比较，揭示了其流动和传热增强机制。通过热流体多目标优化，研究了参数的影响，并分析了其灵敏度，以实现热性能与冷却板能耗之间的最佳平衡，从而实现了优化配置。随后从多个角度阐明了针鳍冷板的传热特性和增强机制，包括热阻、有效传热增强因子和冷却效率系数。最后，逐一分析了通道高度与冷板热传递及流动特性的相关性，并建立了实验测试平台，进一步研究优化配置的热水性能。