液冷板结构的多目标拓扑优化，以增强动力霍克蓄电池的热管理

随着新能源车辆的快速发展，电池的热管理对于提升性能和保障安全至关重要。液冷板作为高效冷却方法，通过优化设计显著提升传热效率和温度一致性。本研究提出了基于拓扑优化方法的多目标优化策略，开发了二维和三维电热流体耦合模型。这些模型分析了加重因子、流量和流体体积分数对液冷板性能的影响。结果显示，在平均流体体积分数为0.5时，优化的液冷板（TOP结构）压降仅为17.595 Pa，约比传统线性冷却板（LCP结构）的29.3 Pa压降低40%。此外，TOP结构的最高温度保持在302.5 K以下，较LCP结构的最高温度304.2K降低约1.7 K。此外，TOP结构在不同入口速度下表现出更高的热性能，其最大和平均温度稳定在0.04米/秒的入口速度。结果表明，拓扑优化的液冷板显著超越传统热性能和流体特性设计，为热管理电池提供了高效且可靠的解决方案。

简介

在全球能源转型和环境保护背景下，新能源车（NEV）行业正经历快速增长。作为新能源汽车的核心储能组件，电池性能和安全性直接关联于整体车辆性能和用户体验[[1]， [2]， [3]]。在充放电过程中，电池会产生大量热量，如果热量未被有效散发，可能导致电池温度升高。这反过来影响充放电效率及循环寿命，甚至可能导致热失控及其他安全隐患[[4]， [5]， [6]]。因此，电池热管理技术，尤其是液冷板式散热系统设计，对于提升电池性能和保障安全性至关重要。
风冷结构具有设计简单和电池冷却成本低的优点。Bisht 等人[7]通过改变风冷系统中发电机的形状，研究了配备两个涡流发生器的电池热管理系统的性能。然而，风冷结构的散热能力有限。在高功率密度和高负载的应用中，满足电池散热需求往往具有挑战性。液冷板以其高效的散热方式著称，通过冷却剂在板内循环，去除电池产生的热量，从而促进有效冷却[8]。然而，传统的液冷板设计常常存在散热效率低和温度分布不均的问题[[9]， [10]， [11]]。为解决这些问题，拓扑优化已成为一种有前景的解决方案。拓扑优化是一种基于数值方法的高级设计技术，能够识别给定设计空间内最优材料分布，以满足特定的性能要求[12,13]。在液冷板式散热结构的设计中，拓扑优化实现通道的最优布局，从而提高散热效率，减少压力损失，并确保均匀传热[14]。
近年来，液冷板式散热结构的拓扑优化进行了大量研究，取得了显著进展。Wang 等人[15]利用拓扑优化设计了一种新型液冷板结构，在相同泵功耗下相比传统设计实现了更优越的传热性能。Wu 等人[16]提出了通过多目标拓扑优化的优化液冷板设计，兼顾传热效率和流体动力学，从而高效平衡热量散发与泵送功率。Zou 等人[17]对利用拓扑优化的通道结构进行了广泛研究。他们发现优化后的液冷板能有效保持较低的电池温度，并在各种工作条件下增强温度均匀性。Wang 等人[18]采用以出口焓为目标函数的拓扑优化方法，设计具有不同进出口配置的冷却板。他们的全面数值分析比较了多种配置，包括一个入口和一个出口（OP）、两个入口和一个出口（TP）、两个入口和两个出口（TTP）以及四个入口和两个出口（FTP）。在75 Pa的压降条件下，FTP（y8）实现了比OP、TP（b）和TTP分别低0.42%、0.14%和0.04%的最大降温率。此外，温差分别比OP、TP（b）和TTP减少了38.55%、20.00%和10.20%。
除了提升散热效率和温度均匀性外，在电池液冷板设计中应用拓扑优化还解决了多物理场的耦合问题[[19]， [20]， [21]]。电池热管理系统是一个复杂的多物理耦合系统，涵盖多个物理过程，包括热传递、流体流动和电化学反应[[22]， [23]， [24]， [25]， [26]]。Lin等人[27]采用基于密度的拓扑优化技术，设计了电池液冷板的通道，以满足锂离子电池在实际工作条件下的冷却需求。Yaji等人[28]提出了一种基于二维和三维稳态纳维-斯托克斯方程及能量方程的热流体耦合问题的拓扑优化方法。该方法利用水平集边界表达式和季霍诺夫正则化方案，有效管理最优配置的几何复杂性。该方法从工程角度得到了验证，确认其在冷却装置设计中的适用性。Mo等人[29]采用拓扑优化（TO）设计了一种新型冷却板。与传统设计相比，优化后的冷却板压力降降低了47.9%，最高温度降低了2.3°C。Zhou 等人[30]引入了一种基于拓扑优化的轮廓提取（CEBTO）方法，利用阈值速度（Ut，与最大速度极大值成正比）来优化鳍状结构的几何形状。结果显示，通过消除高雷诺数下的停滞区域，CEBTO产生的换热器在流体与壁面的相互作用和速度分布上比TO生成的设计更为均匀。Palumbo等人[31]制造了一种具有毫米级通道的液冷热交换器。他们在COMSOL中实现了基于密度的拓扑优化模型，生成非传统的内部几何，从而最小化温度的不均匀性。优化后的热交换器保持了较低的表面温度，并最大限度地减少了表面的温度不均匀性。
综合分析显示，拓扑优化凭借其客观性和设计多样性，在电池液冷板设计中具有独特优势。优化结果的准确性和平滑性受到惩罚因素选择的显著影响，惩罚因素依赖于专业知识和实验验证[32,33]。同样，多目标优化中的权重系数对于最终设计结果至关重要 [[34]， [35]， [36]]。本研究采用多阶段优化策略，深入探讨拓扑优化参数的影响，并考察与各种惩罚和权重因素相关的影响模式。最终结果显示，优化后的拓扑通道结构在传热和液压性能方面优于传统直鳍设计，显示出卓越的整体性能。这些结果为选择边界条件和制定拓扑优化中的优化策略提供了重要参考。
本研究针对上述研究问题提出，并提出以下贡献：1. 提出一种利用密度模型的多目标拓扑优化方法，优化液冷板的流道结构，提高散热效率和温度均匀性，同时为参数选择提供指导。2. 开发了一个三维电热液耦合模型，以展示优化设计相较传统设计在散热性能和流体阻抗上的显著优势。3. 对关键设计参数对性能的影响进行了全面分析，强调拓扑优化液冷板的优点，包括压降降低约40%，最大温度降低1.7 K，为液冷板设计提供了科学基础。