用于280 Ah棱柱形储能HAWKER蓄电池热管理的液冷板多目标拓扑优化设计

开发依据锂离子电池的储能系统已成为缓解可再生能源间歇性并前进其运用功率的一种极具前景的途径。在此布景下，需求热处理来坚持电池温度和热均匀性，且无需耗费许多电能。但是，传统的冷却板一般通过试错法构建，这存在着散热功用与活动阻力之间的权衡问题。在本研讨中，提出了一种包含电化学、流体动力学和热场的电池组多物理场模型。一同，引入了多政策拓扑优化方法，以在指定的束缚条件下安闲演化嵌入冷板中的流体域分布。该多政策函数选用归一化加权求和法构建。在此基础上，通过呼应面法建立了规划参数（即Reynold数和权重系数）与冷板功用之间的映射关系，并进一步运用非支配排序遗传算法对其进行了优化。效果表明，拓扑通道结构比传统的直管式、蛇形式和六边形冷板具有更低的均匀温升。当质量流量范围为1 × 10⁻³至15 × 10⁻³ kg s⁻¹时，与直管式冷板比较，Nusselt数的差值从1.33改动到5.90，提高幅度达15.6%至42.2%。

导言

电池储能系统（BESSs）在缓冲间歇功用源供应和存储需求方面变得越来越重要，尤其是在可再生能源无法满意这些需求的条件下[1]。但是，作为BESSs要害电源的锂离子电池（LIBs）的运用仍遭到热敏理性的阻碍。一方面，极低和极高的温度会加快LIBs的功用衰减和老化[2]。另一方面，电池组之间不妥的温度梯度不可避免地会导致电流和电压的不一致，这终究会要挟到系统的工作安全[3]。特别是，对快速充放电和高容量储能日益增长的需求也加重了电池的热负荷。现在，依据传热方法的不同，电池热处理系统（BTMS）一般分为风冷、液冷、相变冷却、热管冷却和混合类型[4]，[5]，[6]，[7]，[8]。在这些解决方案中，依据液体的冷却因其优异的热容和活络的控制而遭到了更广泛的注重。
BTMS的主要任务是在不同工况下有用控制电池最高温度和热一致性[9]，[10]，[11]。依据作业介质与LIBs之间的传热方法，液冷一般分为直触摸摸式和间触摸摸式[12]。虽然直触摸摸能够无热阻地宣布电池热量，但其运用仍受限于不成熟的问题，如浸没系统密封和冷却剂改性[13]。比较之下，运用冷板或管路将冷却剂与电池离隔的间触摸摸式已成为实践运用中的干流[14]。但是，依据液体的冷却板在水热功用上的优势高度依靠于活动参数和拓扑结构。迄今为止，已有许多研讨致力于充分发挥依据液体的BTMSs的潜力[15]。由于流体动力边界层沿通道轴向逐步开展，传统的直型冷板不可避免地会导致严重的热不一致性[16]。为了优化流体参数，一般会优化结构要素以提高换热能力并降低泵功耗。例如，Monika等人[17]从流体动力学和热力学参数方面点评了六种通道规划的有用性。他们的效果表明，蛇形和六边形规划能够改善热均匀性，而南瓜形规划具有更低的泵功耗。之前的st...
虽然在液冷BTMS的结构优化方面已展开了许多作业[19], [20], [21]，但这些研讨大多选用试错法注重通道形状和翅片标准，由于依靠规划者的直觉和阅历，导致随机性高且功率低下。此外，这种人工方法遵早年向规划准则，即通过改动通道结构来反应电池的改动，而不是依据物理和客观束缚安闲创立液体通道。拓扑优化（TO）供应了一种高级规划方法，不受结构的原始形状和标准束缚[22]。TO方法的基本思想是在给定束缚和政策函数的基础上，迭代查找规划域内有利的材料分布[23]。与传统规划方法比较，TO具有极高的安闲度，能够一同规划出最优拓扑结构和结构标准。以往的研讨指出，依据TO的规划能够有用地形成具有杂乱曲面形状的通道结构[24]。2003年，依据密度的TO方法初次被提出用于流体活动规划问题[25]。尔后，TO逐步被引入微反应器[26]、储能设备[27]以及微通道散热器[28]中。2021年，Mo等人[29]初次建立了一个TO模型来改善冷板规划，该规划在液冷BTMS中表现出了优于直板的功用。2022年，Vichapol等人[30...
通过上述文献总述可知，液冷式BTMS是BESS的一种极具前景的选择，但其功用受冷板影响极大。结构优化对传热功率和活动阻力具有明显影响。虽然如此，一些不可避免的问题仍未得到解决。首要，传统规划方法侧重于通道的标准和形状，而结构遭到原始拓扑结构的束缚，表现出较低的规划安闲度。虽然TO模型已成功运用于BTMS，但研讨对象主要为小容量动力LIBs。为此，现在缺少针对大容量储能电池组的依据TO的规划研讨。此外，完成优化触及多个政策函数，如电池温度均匀性、冷却剂换热率和泵功耗。关于依据TO的冷板中各种变量的全面剖析仍然缺乏。最终但相同重要的是，电池发热具有时刻动态性和空间非均匀性的特征。早年的研讨发现，由于LIBs的发热分布不均，在放电过程中会不规则地呈现高温区域[39]。因此，忽视电池发热的不一致性会导致数值模拟与实验效果之间呈现误差。
依据上述研讨空白，本作业旨在构建一个结构，该结构集成了液冷BTMS的电池热仿真与多政策TO。开发了一个电化学-流体动力学-热模型，以表征储能电池组的不均匀热源、活动及传热行为。一同，运用考虑散热、温度均匀性与活动阻力之间协同效应的多政策TO模型，获取冷板的最优规划。因此，主要作业包含三个方面：1）对TO模型进行迭代演化和单要素剖析，以提示其内涵机制和优化方向；2）运用多政策Pareto前沿建立冷板规划参数与功用之间的联络，并取得最优解；3）展开对比剖析，点评依据TO的冷板在BTMS上相较于四种传统冷板的优越性。