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(fù)合 X 型通道液冷板結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)變量，通過目標(biāo)函數(shù)（平均溫度、溫度標(biāo)準(zhǔn)差、壓降）得到液冷板的綜合冷卻性能，進(jìn)而確定液冷板的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)；通過單體電池實(shí)驗(yàn)，得到電池在不同放電倍率下的產(chǎn)熱量及溫升特性；采用 Latin 超立方體（LHS）在設(shè)計(jì)空間內(nèi)抽取 70 組樣本點(diǎn)，基于近似模型（RSA）建立設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系，采用非支配排序遺傳算法Ⅱ（NSGA-Ⅱ）對(duì)RSA進(jìn)行尋優(yōu)，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）驗(yàn)證尋優(yōu)結(jié)果的合理性。結(jié)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(guān)鍵詞： 鋰離子電池；電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）；液體冷卻；多目標(biāo)優(yōu)化；壓力損失

中圖分類號(hào)： TM 912.9；U 464.138 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.06.012

如今，為了實(shí)現(xiàn)“碳中和”這一全球目標(biāo)，新能源汽車正在蓬勃發(fā)展[1]。針對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航及電池的儲(chǔ)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(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)前新能源汽車電源的主要選擇[2-4]。然而，鋰電池工作時(shí)性能會(huì)受到電池溫度的影響。一般來說，鋰電池工作時(shí)最高溫度不超過45 ℃ ，電池間的最大溫差在5 ℃ 以內(nèi)[5]。如果溫度過低，電池容量將因高速充電/放電時(shí)的鋰鍍而顯著降低[6]，溫度過高會(huì)加速電池副反應(yīng)和降解[7]。因此，一個(gè)有效的熱管理系統(tǒng)（batterythermal management system，BTMS） 對(duì)鋰離子電池具有重要意義[8]。

根據(jù)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(tǒng)具有可靠性和簡單性等優(yōu)點(diǎn)[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(duì)于其他幾種熱管理系統(tǒng)，液體冷卻系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)緊湊、冷卻能力高，應(yīng)用最為廣泛。

目前，液冷系統(tǒng)的研究主要集中在冷板結(jié)構(gòu)、通道形狀和數(shù)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。ZHANG Furen 等[16] 提出了一種新型階梯通道液體冷卻熱管理系統(tǒng)，通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了通道數(shù)、入口和出口的縱向長度、寬度、厚度等橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)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(zhì)、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(jié)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(shè)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(dòng)方向單調(diào)上升的基本特征，優(yōu)化了溝槽的幾何參數(shù)，結(jié)果表明：與參考冷卻板相比，優(yōu)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(zhì)量流率下將電池表面的溫差降低了22.7 % 至25.4 %，同時(shí)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(duì)電池冷卻性能的影響，結(jié)果表明：側(cè)面排列的電池冷卻性能更好，并且當(dāng)多U 通道寬度相等地減小1 mm 時(shí)，散熱最有效。FAN Yiwei 等[20] 受到仿生學(xué)的啟發(fā)，基于結(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)了一種新型（ 陽極、陰極） 雙層樹狀流道冷卻板，研究了3 個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)（ 長度比、高寬比、通道體積分?jǐn)?shù)） 對(duì)表面最高溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差的影響，最后與傳統(tǒng)的蛇形通道進(jìn)行了比較，結(jié)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?jǐn)?shù)約為0.06 時(shí)，獲得了最佳的最大溫度和溫度均勻性；優(yōu)化后冷板的最高溫度和表面溫度標(biāo)準(zhǔn)差分別降低了1.79% 和69.25%。壓降降低了79.13%。

從上述文獻(xiàn)可以看出，對(duì)液冷板內(nèi)部通道進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化可以有效地提升液冷系統(tǒng)的冷卻效果，并且往往需要在優(yōu)化過程中討論多種參數(shù)對(duì)散熱效果的影響。鑒于以上研究結(jié)果，本文提出了一種新型的 X 型液冷板結(jié)構(gòu)，并且采用多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)液冷板進(jìn)行綜合優(yōu)化。首先，基于非支配排序遺傳算法II（nondominatedsorting genetic algorithm Ⅱ，NSGA-Ⅱ）對(duì)通道傾斜角、通道位置及入口通道上下夾角進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化；其次，采用計(jì)算流體力學(xué)（computational f luid mechanics，CFD）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和仿真；最后，通過對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)形式液冷板的散熱性能及功耗，確定其最優(yōu)的液冷板結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)提高BTMS的冷卻性能和降低功率損失的目的。