霍克锂电池基于田口方法与灰色关联分析的锂电池模块浸没冷却优化
锂电池在高倍率充放电过程中会产生大量热量，这可能导致温度分布不均，进而引发性能衰减及严重的热失控风险。为提高电池系统的热稳定性和运行安全性，本研究以以安全性和长循环寿命著称的钛酸锂（LTO）电池为研究对象，在浸没式冷却系统中，提出了一种针对电池模块内部导流叶片的结构优化策略。开发了三维计算流体动力学模型，用于模拟不同几何参数下的热流行为，包括导流叶片数量（N）、长度（L）、角度（α）以及进出口位置（P）。首先采用田口方法分析单项性能指标的敏感性和方差：最大温差（ΔTmax)，以及水平和垂直温度标准偏差（IOHS、IOVS）。随后，采用结合熵权法（EWM）的灰色关联分析（GRA）开展多目标优化方法，以考量各性能指标的相对重要性。模拟结果表明：采用4个导流叶片、60毫米长度、45°倾角及对角线进出口布局的最优配置方案（案例19）可实现21%的ΔTmax（从5.84°C降至4.62°C），水平温度标准差降低17.6%，垂直温度标准差降低14.2%，显著提升了温度均匀性与冷却效能。加权灰色关联分析表明，通过引入基于熵的指标权重，该方法较非加权方法具有更强的决策鲁棒性。
引言
随着技术的快速进步，全球能源需求持续增长，环境可持续性与能源管理问题受到广泛关注。有效管理与利用能源已成为推动绿色能源转型的关键目标。在此背景下，可再生能源技术虽占据核心地位，但其固有的间歇性与不稳定性对供电可靠性构成重大挑战。为解决能源稳定性难题，储能系统（ESS）已成为提升电网灵活性与可靠性的关键设施。在各种技术中，电池储能系统（BESS）凭借其高能量密度与快速响应特性，被广泛应用于电网调节与备用电源领域。在BESS及电动汽车（EV）平台中，锂离子电池因其长循环寿命、高效率与可靠性能，已成为主导性技术方案。
在众多锂离子电池化学体系中，钛酸锂（LTO）因其卓越的热稳定性、超低热失控风险及优异的循环寿命而脱颖而出[1]。这些特性使其特别适合对安全性与使用寿命要求严苛的大规模储能系统及公共交通系统。因此，LTO技术近年来日益受到学术界与工业界的关注。尽管具有上述优势，无论是锂离子电池还是LTO电池，在高倍率运行或长期使用过程中均会产生大量热量。若缺乏有效的电池热管理系统(BTMS)，过热将导致性能衰退、寿命缩短及热失控等严重安全隐患。因此，开发高效可靠的BTMS至关重要，尤其在高功率电池储能系统(BESS)与电动汽车(EV)应用中。在各类BTMS方案中，浸没式冷却技术已成为管理高性能锂电池热行为的优选解决方案。该技术将电池模块浸没于热稳定性介电流体中，可实现高效传热并提升温度均匀性，从而抑制局部热点并降低热风险。浸没式冷却技术已在大规模储能系统(ESS)与电动汽车系统中得到日益广泛应用，尤其对钛酸锂(LTO)电池展现出显著应用潜力。
尽管锂离子电池具有高效率和广泛应用性，在实际运行中仍存在热失控的潜在风险。Yuan等[2]研究了锂离子电池中常被忽视的局部锂沉积现象，深入分析了其形成机制及对电池热稳定性带来的潜在风险，并探讨了现有检测方法的局限性。为探究过充条件下锂离子电池的热失控演变过程与关键热源机制，Zhu等[3]对大型软包电池进行了过充实验，并将热失控过程划分为四个阶段。该研究指出，虽然提高充电倍率可以缩短过充时间，但会加速副反应的引发，从而显著增加热失控风险。Ren等[4]建立了电化学-热耦合模型，整合了焦耳热、副反应热和内部短路热三种热源进行模拟分析。他们基于四个反应阶段计算了热量贡献。结果表明，电解液氧化反应与金属锂-电解液反应对温升影响显著，是热失控的主要热源。Feng等[5]以NCM锂离子电池模组为研究对象，深入探究了模组内部温度分布对单体电池性能及寿命衰退的影响。实验数据显示，当模组最大温差增至5°C时，电池模组整体容量损失达1.5%至2%，这表明温度分布不均不仅会加剧单体间性能差异，还将直接降低能量输出效率。
水冷式电池热管理系统具有良好的散热效率与温度控制稳定性，常被应用于中高功率电动汽车及大型储能系统。该系统主要采用液体作为冷却介质，通过流经冷却管道或冷板来带走电芯产生的热量，相比风冷系统具有更高的导热能力与温度均匀性。Zhang等人[6]分析了水冷式电池热管理系统在电动汽车应用中的当前发展现状。他们总结了一系列关于锂离子电池模组冷却结构设计与性能分析的研究。文献表明，由于水冷系统优异的传热效率和稳定的温控性能，其特别适用于中高功率应用场景。Li等人[7]设计了一个由12个LiFePO4方形电池为研究对象，探究不同冷却表面、流道结构及运行工况下水冷电池热管理系统的热控性能。研究表明，通过冷板设计与冷却流量调节可有效控制电池最高温度。Wang等[8]以锂离子电池模组为研究对象。本研究设计了四种不同的水冷板流道，并通过CFD模拟探究了其在5C放电及不同冷却流量下的散热性能。结果表明，仅螺旋流道能有效将最高温度控制在40℃以下，且模组温差可维持在5℃以内。Luo等[9]采用由12个64Ah锂三元电池组成的模组，设计了一种方形螺旋环（SSR）水冷板，并通过数值模拟分析了其热管理性能。研究对比了不同流道构型与冷却流量条件下的散热性能。结果表明，优化后的SSR结构在中低倍率放电下具有良好的冷却效果与温度均匀性。
刘等人[10]以40Ah锂三元电池为研究对象，设计了一种仿生叶脉状水冷通道，并与普通冷却板通道进行对比，在0.5C至2C放电倍率下进行模拟分析。结果表明，虽然直通道结构简单、压力损失小，但会导致冷却分布不均，易产生局部热点。Gan等人[11]为满足电池储能系统模组的散热需求，设计了一种对称双螺旋流道液冷板。研究者将其热流性能与蛇形流道及两种平行流道结构进行对比分析，发现对称双螺旋流道展现出更优的流场均匀性与温度分布特征，可有效抑制局部过热现象，且整体性能评价指标(PEC)优于其余三种设计方案。Pu等[12]对由20个锂离子电池组成的模块在2.5C放电倍率下进行了数值模拟分析。他们提出了一种新型三维液冷板设计，以优化模块的热管理性能。研究结果表明，与传统设计相比，该三维结构展现出优异的温度控制均匀性和低压降特性，在相同流量下可显著降低能耗，表明系统整体效率得到提升。
关于两种冷却系统集成化的相关研究表明，尽管空气冷却系统具有结构简单、成本低廉的优势，但在高放电率与高热密度模块应用中易出现热量积聚与温度不均问题。相比之下，水冷系统虽具备更高的散热效率与温控能力，但其结构设计更为复杂，需要集成冷却板、流道及泵体等组件。这不仅增加了设计与制造成本，还对模块封装与空间配置形成诸多限制。基于空气冷却与水冷系统的局限性，浸没式冷却技术凭借极高的传热效率与卓越的温度均匀性，成为兼顾散热性能与结构简化的解决方案，适用于高功率应用领域。
Roe等[13]综述了浸没式冷却技术在锂离子电池热管理中的应用，系统探讨了不同冷却剂类型、传热机制及系统安全性。该文献指出，浸没式冷却系统通过电池与介电流体的直接接触，可显著降低热阻并提升整体传热效率。Cao等[14]设计了一套372 kW/372 kWh磷酸铁锂电池储能系统，并开展了全尺寸浸没冷却模拟研究。该系统采用强制对流方式将整个模块浸没于不同种类介电冷却液中以进行性能对比。研究发现冷却液的粘度和导热系数会极大影响模块的散热效率与温度分布性能。Dai等[15]对浸没式冷却技术的散热潜力进行了深入研究，提出了一种采用超临界二氧化碳(S-CO<sub>2</sub>)的电池浸没热管理系统。2) 作为冷却剂。他们的结论表明，与传统介电冷却剂相比，S-CO2在相同工况下可有效降低电池最高温度与温差，提升努塞尔数(Nusselt number)与综合性能指标(PEC)，同时降低泵功消耗与电压掉落(Drop)，展现了其在高倍率运行工况下优异的热控性能。Wang等[16]设计了一套新型锂离子软包电池模块浸没式冷却系统，采用绝缘性能优良的变压器油作为冷却工质，通过实验探究了不同浸没深度与冷却工质流速对热管理性能的影响。研究结果表明：增大浸没深度与冷却工质流速能有效降低电池模块最高温度与温差。Chandrasekaran等[17]对由六个NCA锂离子电池组成的模块进行了单相浸没冷却系统的实验研究，探讨了不同冷却剂流速和运行速率对散热性能的影响。研究团队发现冷却剂流速对电池温度控制效果具有显著影响。Liu等[18]针对六个LCO锂离子电池组成的模块提出了一种静态单相浸没冷却策略，并将其散热性能与传统风冷系统进行了对比。研究发现，在3C放电倍率下，浸没式冷却系统能将电池最高温度有效控制在40℃以下，且温差维持在3℃以内，其散热性能显著优于风冷系统。Xin等[19]对单相浸没式冷却系统的热控制性能开展了数值研究，探究了流动方向与导流结构对电池模组散热性能的影响。研究证实导流板能有效引导冷却液在模组内形成更均匀的对流通道，不仅大幅降低了最大温差，还缓解了电池间的热量积聚现象与温度梯度，使整体热阻分布更为均衡。Ahmad等[20]对浸没式冷却电池热管理系统开展了优化研究，选取10个大型方形锂离子电池作为研究对象，采用具有绝缘特性的介电流体实现直接浸没冷却。结果表明，通过合理调整几何构型，可有效改善冷却剂流场分布，降低电池最高温度与温差，缓解局部热量积聚现象。Zhong等[21]提出了一种导向顺序浸没冷却（GSIC）架构。通过设计冷却液流动顺序使其先流经电池端子再通过电池本体，可改善传统浸没冷却中普遍存在的局部过热与温差不均现象。实验系统采用由4块方形锂离子电池组成的模组，研究结果表明：在5C放电条件下，GSIC架构能将最高温度控制在45℃以下，并使模组温差维持在2℃以内。25 °C，显示出良好的温度控制与均匀性。Jithin等人[22]采用数值模拟方法探究了不同冷却液物性对浸没式电池冷却系统散热性能的影响，指出虽然去离子水具有优异的比热容与导热系数，但由于其高导电性而不适用于浸没冷却系统。Li等人[23]选用FS49氟化液作为冷却介质，为方形磷酸铁锂电池模块设计了浸没冷却系统。他们发现，通过适当减小电池间距并降低冷却液填充率，可有效抑制模块的最高温度与温差，同时还能提升体积能量密度与重量能量密度。
钛酸锂电池（LTO）因其卓越的热稳定性和极低的热失控风险，特别适用于对高倍率、长寿命和高安全性有严格要求的储能及交通运输车辆应用领域。因此，本研究选择LTO电池作为研究对象，重点探究其在高倍率条件下的散热行为与热管理优化方案。在冷却技术选择方面，相较于空气冷却与水冷技术，浸没式冷却系统能够提供更优异的热传递效率与温度控制性能。前述多数文献已证实，通过浸没式冷却技术，即使在5C以上的高放电倍率条件下，也能有效降低电芯温度及温差，展现出稳定高效的热管理能力。尽管浸没式冷却在冷却液选择、安全设计和成本控制等方面仍存在诸多待考量的问题，但其在大功率模组应用中的潜力已获得广泛认可。本研究综合考虑散热效率、系统安全性和应用潜力等关键因素，决定采用浸没式冷却架构作为电池模组热管理的散热技术方案，以期充分发挥其在高速率运行工况下的冷却优势。
现有研究也对电池各部件所用材料进行了探讨。例如，Salem等人[24]研究了锆掺杂对纳米结构钛酸钡材料的结构与铁电性能的影响，发现剩余极化强度与平均微晶尺寸高度相关，且随锆阳离子浓度增加而增强。Almessiere团队[25]则聚焦于一类具有优异介电性能的氧化物陶瓷样品，这类材料可应用于高性能无线电电子器件中。抗磁性取代的M型六角铁氧体的介电常数在低频区呈现缓慢下降趋势[26]。目前存在多种制备氧化物的合成方法[27]。Troyanchuk等学者[27]通过实验发现，Sm0.56Sr0.44MnO3在居里点以上的宽温域范围内表现出变磁性行为及异常弹性特性。不同化合物与优异电子特性的组合催生了新型复合材料，近年来这些材料已引发重大技术关注。第二相的加入可显著改善复合材料的电子性能。例如，Ni0.5Zn0.5Fe2/BaTiO4多铁性复合材料显示出较低的介电损耗值[28]。对于过渡金属氧化物而言，化学计量比至关重要。原始阳离子浓度偏离给定值会导致过渡金属阳离子电荷态发生变化，进而显著改变磁性和电学参数。在1 GPa静水压下，La0.70Sr0.30MnO2.85为具有弥散相变至顺磁态特性的自旋玻璃体[29]。Turchenko等研究者[30]探究了六角铁酸钡中铁电性能的微观机制。Trukhanov团队[31]成功合成了纳米晶La0.50Ba0.50MnO3通常而言，晶粒尺寸分布会影响所获陶瓷样品的介电性能。3. In general, the crystallite size distribution affects the dielectric properties of the obtained ceramic samples.
Liu等[32]研究了电池间距、冷却剂流速和放电速率的影响，但未对结构变量进行系统的多参数优化。Tai等[33]聚焦于采用浸没冷却的5S7P电池模块热管理，针对特定模块构型研究了冷却剂体积流量对散热性能的影响，体现的是参数特异性优化而非全局设计优化。Wu等[34]开展了大尺寸锂离子电池组两相浸没冷却系统的性能优化研究，考察了极耳侧冷却剂注入和动态流量控制等策略，但仅评估了有限配置方案，缺乏跨越多设计变量的完整优化框架。
文献综述表明，现有研究普遍从冷却液选型、流量控制及几何结构设计等方面着手，以提升浸没式冷却系统的散热性能与温控效果。尤其有多项研究指出，几何变量对流场分布与传热效率具有显著影响，通过优化流道配置与模块结构可有效改善温度均匀性并降低局部过热风险。然而，现有研究主要集中于单一几何参数或局部优化设计，针对不同几何结构配置下的散热性能与温度均匀性仍缺乏系统化、全面性的评估。因此，本研究选择以几何结构配置为切入点，深入探究其对电池最大温差与温度标准差的影响，旨在为浸没式冷却模块设计提供更全面的优化依据。为此，本研究将通过系统化的变量设计与性能分析方法，对不同几何配置展开深入探讨。
