霍克锂电池共形电池冷却区块的多目标优化与实验验证
本研究针对圆柱形锂离子电池模块，提出了一种新型共形液冷系统的设计优化、数值建模与实验验证方法。采用遗传算法对内外共形冷却通道的几何参数进行优化，优化标准包括最高单体温度（Tmax）和最大温差（ΔTmax）与压降（ΔP）。通过增材制造工艺制成的最终设计被集成至3×3 Aspilsan INR18650A28电池模块，并在5C放电倍率及≈0.0083 kg/s流量下进行实验测试。实验结果表明该系统具有有效的热调控能力，最高温度（Tmax）为27.44°C。相同条件下的数值模拟得出Tmax温度达到25.69°C，表明与实验数据具有强相关性。基于MSMD模型的附加数值研究表明：该系统在5C倍率下能维持温度低于25°C，7C倍率下约为31°C，9C倍率下则低于40°C，证实了在不同工况下均具有稳健的热管理性能。此外，冷却液入口温度（5°C、15°C和25°C）的变化会显著影响电芯平均温度，但对温度均匀性影响甚微——ΔTmax在所有工况下均保持在0.51°C以下。与文献中现有BTMS设计方案相比，所提出的共形冷却系统在高放电速率工况下的Tmax和ΔTmax指标均展现出更优性能。这些结果验证了共形冷却作为新一代电池热管理策略在高性能紧凑型电动汽车应用中的有效性与可制造性。
引言
近年来，由于对环境可持续性和化石燃料资源枯竭问题的日益关注，全球向电动化出行的转型进程加速。电动汽车(EVs)和混合动力电动汽车(HEVs)已成为这一变革的核心，其中锂离子电池(LiBs)凭借其高能量密度、长循环寿命和较低的自放电特性，成为主导的储能技术[1]。
尽管具有这些优势，锂离子电池的运行对温度高度敏感。高温和低温条件都会显著损害电池性能、缩短使用寿命，极端情况下甚至可能触发热失控等安全关键事件。在高温环境下，副反应和电解液分解会加速电池老化和自放电；而在零度以下低温时，内阻增大且析锂现象更易发生，特别是在充电过程中[2]。这些温度依赖性行为直接影响汽车应用中电池系统的功率能力、电荷接受度及整体可靠性。
另一个关键因素在于电池模块和电池组内部的空间温度不均匀性。产热不均与冷却不足会导致电芯行为失衡，引发电压、容量和衰减速率的匹配紊乱。研究表明，即使电芯间存在5°C的温差，也可能导致模块整体性能显著下降并加速老化[3]。因此，确保热均匀性与将整体温度控制在运行限值内具有同等重要性。
为应对这些挑战，电池热管理系统（BTMS）已成为现代电动汽车的关键子系统。其主要功能是维持电池温度处于最佳工作区间（通常为15°C至35°C），防止局部热点产生，并确保电芯间温度分布均匀[4]。目前已有多种热管理策略被研究，包括风冷式、液冷式、相变材料（PCM）式、热管式、热电制冷器（TEC）式以及混合式方案[5]。其中，液冷系统凭借其卓越的导热性能及兼具加热与冷却功能的Ability，在商用电动汽车领域得到广泛应用。然而现行液冷方案仍存在多项局限：包括系统复杂度提升、重量增加、额外寄生功耗产生，以及在日益紧凑高能量密度的电池构型中维持温度均匀性所面临的挑战。此外，随着电池单元为提升体积能量密度而采用更紧密排布方式，传统直通道液冷设计难以有效管控局部热点与热梯度问题。
热管理策略大体可分为被动式与主动式系统。被动方法如采用相变材料（PCMs）、隔热层或自然对流机制，本质上受限于其低传热系数及高热生成工况下的延迟热响应[6]，因而通常不适用于涉及快速或持续高功率循环的应用场景。
相比之下，主动系统通过强制对流或受控流体循环实现更高效的传热与灵敏的热调节。其中，气冷系统作为最直接且经济高效的解决方案，通常采用风扇在电池表面产生气流。然而空气固有的低导热率与比热容严重制约了其散热效率，尤其在高功率密度模块中表现更为显著。这类系统在高倍率运行时常面临较大温度梯度与热管理不足的问题。为克服这些局限，研究者引入了替代性主动热控技术。基于热管的系统利用相变与毛细驱动流动实现电池模组间的高效传热，既保持了被动式系统的结构简洁性，又具有显著提升的有效导热系数。热电制冷器（TECs）基于帕尔贴效应工作，能以紧凑的固态形式实现精确的双向热调节。尽管这两种方法都能提升局部冷却效果并改善空间温度均匀性，但也带来了系统成本增加、集成复杂度上升以及寄生功耗等挑战。尽管如此，这些技术作为高性能锂离子电池系统整体热管理架构中的补充或混合组件，正日益受到研究关注[7]。
基于液体的热管理系统已成为高性能电动汽车应用中最有效的解决方案。相较于空气冷却，液体系统具有更优异的传热系数，既能实现高效冷却，又能保证更好的温度均匀性。液体冷却系统通常采用直接接触式或间接接触式设计。在直接接触系统中，冷却液直接与电池表面接触，虽能实现快速散热，但存在电气绝缘和安全方面的隐患。间接式系统则采用金属板或夹套结构，冷却液在其内部循环，可安全散热而不会润湿电池。近年来冷却液通道设计的进步——包括蛇形、U形、平行和分支等构型——研究表明流道优化对提升冷却均匀性和降低单体电池最高温度具有显著作用[3]。
下文概述了采用不同冷却方式的电池热管理系统(BTMS)最新研究进展。多位学者致力于空气冷却结构的优化设计：例如，Zhou等[8]提出采用空气分配管提升圆柱形模组温度均匀性，发现增大孔口直径与排列行数可改善性能；Yang等[9]设计仿生表面散热器，通过参数优化实现温差降低8.1%；Qin等[10]则开发了强制空气对流与内置翅片的混合系统，证实内部结构较传统方法能显著提升均匀性。 %%然而，由于空气热容有限，研究焦点已显著转向采用新型流道结构的液冷系统。仿生与螺旋结构等创新设计已展现出显著成效。Yao等[11]设计了一种仿生蜘蛛网状流道，在不显著增加压降（Drop）的前提下提升了冷却效率。螺旋结构同样表现突出：Dong等[12]通过NSGA-II算法优化双螺旋结构，实现了热性能与压降（Drop）的平衡；而Zhou等
[13]研究了一种半螺旋管道，发现其性能优于传统夹套冷却。为提升液体系统的传热效率，Esmaeili与Khoshvaght-Aliabadi[14]在通道内引入螺旋扭带，指出增加扭带边沿数量可显著强化散热效果。此外，仿生设计如Fan等[15]提出的树状双层液冷板，经证实较蛇形基准结构可降低压降（Drop）达79.13%。
除几何结构外，结构集成与材料创新始终是核心研究领域。Shan等[16]通过在紧密排列的电池单元间布置轴向冷却管，致力于开发轻量化紧凑型系统。其对比分析表明：虽然对齐排列能提供更优的冷却性能，但交错构型在紧凑性方面更具优势。值得注意的是，通过采用交错流道布局以提升均匀性，该研究提出的设计方案实现了5.4%的极低系统重量比，较既往研究具有显著突破。Bohacek等[17]提出了一种轻量化聚合物中空纤维系统，其冷却性能与基准系统相当，同时通过可变绝缘优化热阻，确保电池温度高度均匀。在相变材料(PCM)集成混合系统方面，Liu等[18]将PCM与新型螺旋翅片相结合，实现了最高3.78°C的温降。Yang等[19]设计了结合液体通道与PCM的蜂窝状冷却板，利用反向传播神经网络自适应预测所需入口流量。
最后，优化算法与控制策略在电池热管理系统（BTMS）设计中具有关键作用。Rao等[20]研究了可变接触表面设计以降低泵功需求，而Wang等[21]采用正交分析法证明入口质量流量是电化学-热耦合模型中最重要的影响因素。Mahmood等[22]提出了一种基于蛇形微通道冷板与交叉V形通道的液冷BTMS，证明相较于传统冷板设计，机器学习辅助多目标优化能显著降低最高温度、温度不均匀性、泵功及冷板质量。在Mahmood等[23]的另一项研究中，他们通过CFD-机器学习框架对优化后的微通道液冷板进行了数值研究。通过单目标优化，电池最高温度从36温度从38°C降至35.98°C，同时压降显著减少，从782.82 Pa降至487.16 Pa。温度标准差也从2.14 K略微改善至2.12 K，表明热均匀性得到增强。多目标优化进一步通过帕累托前沿揭示了最高温度、温度均匀性与水力损失之间的权衡关系。最优设计方案对应的流道宽度为8 mm，近边缘流道间距为5 mm，这表明微通道冷板中微小的几何调整可同时提升热性能与水力学性能。在控制策略方面，An等[24]采用模糊PID控制策略于微通道系统，证明其相比传统方法在快速充电过程中具有更快的响应速度和更稳定的温度调节能力。
尽管上述研究详细综述了近期文献中报道的空气冷却、液体冷却、相变材料冷却及混合电池冷却方法，但需着重指出的是，其他热管理策略也已被提出，特别是基于热管的系统和热电制冷器（TEC）技术。热管凭借其高有效导热系数可实现被动热控制。Rao等[25]研究表明，基于热管的电池热管理系统（BTMS）在模拟热通量不超过50 W时能将温度维持在max<50°C以下，并将ΔTmax在热输入不超过30W时，温差可维持在<5°C。先前研究已证实基于热电制冷器（TEC）的系统在锂离子电池热管理中的潜力。Li等[26]开发了用于3×318650电池模块的TEC集成冷却系统，研究表明该系统在3C放电倍率下可将最高温度降低16.4%，同时改善模块内的温度均匀性，从而提升安全性与可靠性。类似地，Lyu等[27]提出了一种结合TEC、液冷与强制空气对流的混合系统。在其六单元模拟电池组的测试中，基于TEC的系统在40V电源条件下，温度比纯液冷系统低约20°C；在30V电源条件下，5000秒持续运行期间温度始终低于30°C。
共形冷却方法因其能够适应复杂几何形状并提升传热均匀性的能力，已被广泛应用于注塑成型、压铸和熔融加工等制造领域[28]。然而，在本研究之前，该技术在电池热管理系统（BTMS）中的应用尚未见报道。本工作首次将共形液体通道直接集成于电池区块内部，为锂离子电池模块的液冷设计建立了新的范式。基于此，本研究旨在开发并验证一种结合共形冷却通道的先进液冷式BTMS，以确保高性能锂离子电池模块的高效均匀散热。研究范围涵盖针对圆柱形电池单体设计的新型共形冷却区块的数值建模、优化设计、加工制造及实验验证全流程。
主要目标是在所有电池单元间维持最佳工作温度，同时最小化温度梯度——已知该因素会加速非均匀老化并降低系统可靠性。为此，本研究采用了一种结合参数设计、计算流体力学（CFD）与基于遗传算法（GA）优化的多阶段方法，并集成建模框架以实现基于热力性能与水力性能指标的几何设计方案快速评估。
本研究提出了一种结构新颖、功能集成的冷却解决方案——"最优随形冷却通道主动冷却系统"，该方案显著区别于传统电池热管理系统（BTMS）设计。与外部安装的直列式或蛇形通道配置不同，该系统将随形液冷通道直接集成于电池区块内部，从而同时提升局部散热效率与整体热均匀性。
此外，该系统不仅考虑数值模拟可行性，更兼顾可制造性设计，已通过适用于复杂随形结构的增材制造工艺实现生产。分析框架中整合了经实验验证的多尺度多维（MSMD）电池模型，可准确预测不同放电倍率与冷却液入口温度下的热行为。
综上所述，本研究对新一代电池热管理系统（BTMS）进行了全面探究，该系统融合了创新几何优化、先进模拟及实验基准测试。研究成果有望为电动汽车等高性能应用场景中锂离子电池的高效、紧凑且安全的热管理策略开发作出重要贡献。
