结合实际热量分布的软包电池液冷通道的拓扑结构设计

《Journal of Energy Storage》：Topological design of liquid cooling channel for pouch battery incorporating actual heat distribution

　　曲航虎 | 郑敖迪 | 刘洋 | 杨晓虎 | 林彦凯 | 蒋浩然
天津大学能源与动力工程系，中国天津

**摘要**
液冷作为一种有前景的电池热管理方法，具有结构紧凑和传热效率高的优点。然而，实现最佳设计颇具挑战性，因为液冷板通常是根据经验设计的。更关键的是，设计过程常常忽略了电池实际热生成的不确定性，这限制了电池热管理系统的冷却性能。本文提出了一种基于电池实际非均匀热分布的冷却板通道拓扑设计方法。该方法将非均匀热生成数据表示为温度的函数，并将其纳入拓扑模型中以生成新型的非均匀流通道。实验结果表明，电池正极耳附近的温度较高，而拓扑设计的流通道在该区域更为密集。此外，与基于一维非均匀热生成、均匀热生成和直通道冷却板相比，基于实际热生成的拓扑设计冷却板的最高温度分别降低了2.23%、2.37%和3.24%。本研究阐明了不同热源公式对优化过程的影响，为液冷板的最佳设计提供了新的范例，并提高了电池的热管理效率。

**引言**
当前，能源危机和环境问题的日益严重促使各国重视碳中和并制定减少碳排放的战略[1]。推动电动汽车和动力电池技术是实现碳中和计划的重要组成部分。锂离子电池具有多种优势特性，包括长循环寿命、低自放电率和高能量密度[2]，已成为市场上最成熟的动力电池。由于其成本效益和设计灵活性， pouch型锂离子电池成为电动汽车的首选。研究表明，散热不足会显著影响锂离子电池的性能、寿命和安全性。为确保高效运行，电池的工作温度应保持在25–40°C范围内，温差应控制在5°C以内[3]。在复杂负载条件下，电池会局部产生大量热量，导致温度升高且分布不均。这些问题会对电池性能产生显著影响，在极端情况下甚至可能引发热失控和安全事故[4]。因此，了解电池的热生成机制及其空间分布至关重要。

许多研究探讨了锂离子电池的热生成特性。在Bernardi模型[5]中，热生成可分为可逆热和不可逆热。可逆热与电池的电化学反应有关，而不可逆热主要来自电池的极化，包括欧姆极化、浓度极化和活化极化。对于 pouch 型电池，热量分布具有很强的非均匀性，主要集中在电极耳处，其中正极耳的热生成最高[6]。Dileep等人[7]通过红外测量发现，较高的放电率会导致 pouch 型电池的温度场越发明显不均匀，温度最高的区域位于电化学反应最强烈的地方。He等人[8]阐明了电池内部热生成不均匀对温度性能的影响，强调了将电池实际热生成不规则性纳入流通道设计的必要性。由于热生成随位置和工作条件变化，需要进行系统的、基于模型的描述才能准确表示。

鉴于电池加热问题，应用电池热管理技术至关重要。目前主要的电池热管理方法包括液冷[9]、[10]、[11]、空气冷却[12]、[13]、[14]、相变冷却[15]、[16]、[17]、[18]和热管冷却[19]、[20]、[21]。结合这些方法的混合系统（如 PCM-liquid[22]或热管-liquid[23]配置）也因强大的热缓冲能力而受到关注。然而，这些系统的复杂性、集成难度和成本限制了其大规模应用。其中，液冷既高效又经济，适用于多种热管理系统。流通道形状的设计是液冷系统的关键组成部分，直接影响到冷却板的流量和散热性能[24]。在液冷板通道设计中，传统的直通道结构冷却板[25]、[26]、[27]因制造简单而被广泛使用。除了直通道，研究人员还引入了U形[28]、鱼形[29]和蛇形[30]等新型通道配置以提升整体性能。尽管取得了进展，但许多研究仍忽视了电池内部的热分布不均匀性，可能导致散热效率低下。为了解决这一问题，一些研究设计了能够适应这种变化性的流通道。Tian等人[31]为大型海洋电池设计了带可变鳍片的微通道冷却板；Zheng等人[32]设计了考虑电池非均匀热分布的叶脉形状流通道。然而，这些设计方案往往主要依赖于设计者的经验和工程技能，这使得系统优化通道设计以实现更好的冷却性能变得困难。此外，设计自由度的限制和结构创新的约束进一步限制了液冷板性能的提升潜力。

与传统通道设计方法相比，拓扑优化可以提供更高的设计自由度，从而自主生成最佳结构，减少对个人经验和预定框架的依赖。Bends?e等人[33]于1988年首次提出了拓扑优化理论，旨在设计能够承受特定应力水平的机械部件。Andreasen等人[34]利用拓扑优化改进了微流体混合器的性能。拓扑优化也应用于电池液冷通道的设计，Mo等人[35]应用基于密度的拓扑优化创建了一种新型冷却通道，显著降低了峰值温度。Saha等人[36]提出了双输入单输出液冷板的拓扑优化框架。Wang等人[37]实验研究了电池组的湍流拓扑冷却板，显示出更好的温度均匀性和更低的压降。这些拓扑设计方法比传统的经验设计方法提供了更好的冷却性能。然而，多数研究假设电池是均匀热源，忽略了其实际的空间热分布。这种简化阻碍了对局部热点区域的精确冷却，可能最终缩短电池寿命。为获得更好的流通道性能，一些研究根据电池的非均匀热分布引入了可变热生成模型。Ozguc等人[38]在热流边界中引入了手动定义的热点区域，以实现响应非均匀热负荷的微通道拓扑设计。Ji等人[39]在热源积分方程中沿y轴引入了电池热源的一维变化，据此实现了拓扑流通道设计。这些考虑非均匀热分布的研究可以提高冷却板性能，但通常使用间接拟合方法，难以直接反映电池的实际热分布。这种与电池实际热分布的相对弱相关性可能导致设计偏差，例如在热生成较低的区域内冷却通道过多，而在热生成较高的区域内冷却通道不足。总之，目前仍缺乏一种高效且物理上一致的方法将电池的实际热生成纳入液冷板通道的拓扑设计中。这一问题限制了拓扑设计方法在真实电池流通道设计中的通用性，阻碍了进一步提升拓扑冷却板热管理性能的可能性。

总体而言，现有研究暴露了理想化热源模型与实际电池模块中复杂、空间变化的热生成之间的方法论差距。因此，选择了一个34 Ah pouch型电池作为案例研究。通过耦合仿真框架将实验测量的温度场引入拓扑模型，得到了反映电池实际非均匀热生成的冷却通道。结果表明，最高温度（Tmax）和压降（ΔP）分别降低了3.24%和11.18%，最高温度降低了0.91°C。本研究的主要贡献如下：

1. 直接嵌入经实验验证的二维电池热生成场，开发了拓扑优化框架，避免了使用均匀或理想化的一维热源假设。
2. 系统地考察了不同热源公式对拓扑优化过程的影响，重点关注其对通道空间分布的影响。
3. 所提出的设计在稳态和动态驱动条件下均显示出改进的热性能和流体性能，系统分析了关键设计参数的影响。

通过将设计基于实际热行为，本研究为提高电池热管理系统（BTMS）的冷却性能提供了更准确、实用的范例。

**方法**
本研究提出了一种基于电池实际热生成分布设计高性能冷却通道的通用方法。主要研究方法的逻辑如图1所示。首先构建电池模型分析热生成，然后进行实验验证，随后开发拓扑模型并导入实际热分布数据，最后利用液冷模型验证冷却性能。

**结果与讨论**
液冷系统主要包括电池组和液冷板，液冷板布置在每两个电池之间。所有电池的正负电极位置相同，所有液冷板的进出口位置也相同。由于 pouch 型电池的热生成集中在正极，因此将流通道的入口设置在靠近正极的位置以最大化传热效率。系统的3D模型如图所示。

**结论**
本研究提出了一种基于实验验证的二维热生成场的电池液冷板拓扑优化框架，强调了热场保真度在拓扑优化过程中的作用。通过明确将 pouch 型锂离子电池的实际空间热分布纳入优化过程，所提出的方法使冷却通道布局更接近实际热点位置，而非理想化的热源。

**作者贡献声明**
曲航虎：撰写初稿、可视化、验证、方法论、研究、概念化；
郑敖迪：撰写审稿与编辑、方法论、研究；
刘洋：撰写审稿与编辑、研究、形式分析；
杨晓虎：撰写审稿与编辑、资金获取、形式分析；
林彦凯：撰写审稿与编辑、项目管理；
蒋浩然：撰写审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的工作报告。

**致谢**
本工作得到了中国天津市自然科学基金（项目编号24JCZXJC00440）的支持。