DETA蓄电池基于拓扑优化的三材料液冷板用于储能电池热管理

选用单一导热资料的传统液冷板规划要么受限于预界说拓扑结构，要么无法有用缓解热点问题，在规划自在度与功能权衡方面仍存在缺乏。为突破这些局限，咱们提出一种根据密度的拓扑优化模型，该模型可同步优化流道布局与两种导热固体的空间散布，然后为通风不良区域定制功能性结构。该三资料液冷板将共轭传热模型与多物理场电池模型相交融，准确模仿46.59 kWh电池模块中的电化学-热-流体动力耦合效果。优化规划发生的分叉流型在雷诺数为900时，与直通道和单固体规划相比，流体能量耗散别离降低达19.5%和12.6%，同时以功能点评原则衡量，其热扩散功能提高超越10%。对比剖析进一步表明，在0.5-1C高放电倍率工况下，侧置式复合冷板因具有更短的传热途径和更大的热触摸面积，其归纳功能点评方针较底置式计划提高0.09-0.12。研讨结果证明，三资料拓扑优化办法能完成结构与资料散布协同规划，为储能体系供给了一种可扩展的高效低本钱液冷规划计划。

引言

在日益严峻的环境危机推动下，动力体系正经历全球性转型，旨在逐步筛选化石动力发电并降低可继续资源的本钱[1]。然而，太阳能和风能等可再生动力的时空间歇性特征，可能为地方甚至体系层面带来新的应战[2]。为处理这些问题，电池储能体系(BESSs)为散布式电网供给了经济高效的处理计划，特别是在可再生动力无法匹配需求时[3]。虽然如此，作为电池储能体系(BESS)核心电源的锂离子电池(LIBs)仍表现出明显的热敏理性，这对电化学功能与运行安全性均发生负面影响[4]。此外，快充/快放与高储能容量需求的提高进一步加重了LIB的热不稳定性[5]。因而，针对储能电池日益增长的能量密度与功率密度，规划良好的电池热办理体系(BTMS)已受到广泛关注。
电池热办理体系（BTMS）的首要任务是维持电池温度处于最佳作业区间，并最小化单体电池间的热梯度[6][7][8]。依据传热介质类型，现有BTMS通常分为强制风冷、液冷对流、相变资料及热管传导四种模式[9]。近年来，强制风冷体系凭借其结构简略、本钱低廉的优势，在储能体系热办理中获得了广泛应用[10]。然而，空气的低劣热物性导致气流与锂离子电池（LIBs）之间的热响应才能欠佳，且沿活动方向存在不合理的温差。此外，电池储能体系（BESSs）常与高海拔区域的可再生动力并网运行，而空气密度的下降会进一步恶化换热功能[11]。虽然相变资料和热管可经过潜热被迫吸附并传递热量，但若仅选用单一电池热办理体系（BTMS），其无法继续释放累积的热量[12]。相比之下，液冷式电池热办理体系（BTMS）具有传热功率高、结构紧凑及操控灵活等优势，因而成为BESSs的理想处理计划[13]。
关于液冷式电池热办理体系（BTMS），经过流道隔离冷却液的冷板已被证明能为电池供给优异的热工水力功能[14]。由于液冷技能依赖于共轭传热——即资料间流体动力与热相互效果的耦合效应，学界从流道构型、活动参数、冷板布局等多维度对冷却板功能优化进行了广泛探究[15][16]。然而传统结构（如直通式平行微通道）受限于流体边界层沿通道轴向的渐进展开，普遍存在温度均匀性欠安的缺点[17]。跟着现代科学的展开，研讨者开端测验将仿生规划原理应用于液冷式BTMS[18]。 %%受天然进化启示的仿生结构，如叶脉[19]、鱼骨[20]、肺气管[21]、蜘蛛网[22]和蜂巢[23]，可经过重构流道规划来增强散热功能——其机理在于打破热边界层并增大热交换面积，但价值是流阻增加。与此同时，根据直觉与灵感的试错规划办法通常具有高度随机性，在平衡传热功能与泵功消耗方面功率低下。虽然根据响应面法或人工神经网络的署理模型可与进化算法结合以提醒输入参数间的相互效果，但当时冷板的优化结构仍受限于正向规划原则，而非在物理束缚与客观函数下自在演化的流道。从逆向规划的视角动身，亟需树立一种优化办法，使通道结构能在力学原则驱动下完成自在演化。
近年来，拓扑优化（TO）已被确认为一种高层次的集成化逆向规划办法，该办法不依赖于初始构型或预设尺寸参数组。TO的基本原理在于依据给定的数学方程与方针函数[24]，经过迭代计算在规划域内寻求资料散布与用量的最优解。相较于传统规划办法，拓扑优化展现出极高的规划自在度与优化空间，这一特性亦使其归属于逆向规划理论领域。2003年，Borrvall等学者[25]首次提出了一种根据密度的拓扑优化模型，用于优化斯托克斯流场问题。自此，拓扑优化办法已从单物理场问题扩展到多物理场领域，例如反应堆[26]、储能设备[27]和散热器[28]。在液冷式电池热办理体系中，研讨者已开宣布拓扑优化模型，用于完成不同活动参数[29]、进出口方位[30]、热源[31]和资料属性[32]条件下冷板的拓扑结构规划。虽然拓扑优化在液基电池热办理体系中已有探究，但一个要害却常被忽视的问题是：单一固体资料的均匀特性本质上约束了冷却板的传热潜力。虽然大局选用金刚石或高纯度铜等高导热资料能保证快速散热，但这会带来明显的本钱与重量负担。反之，若选用规范资料则需极高的冷却液流速来处理部分热点问题，导致动力功率低下。此外，对具有非均匀暖流密度散布的器件选用均一冷却办法会导致低暖流区域的过度冷却，然后进一步加重体系功率低下。为处理这些局限性，一种潜在处理计划是选用多区域散布战略，利用两种导热资料在操控总体本钱的同时缓解部分热点问题[33]。虽然先前研讨[34]已奠定基础，但依赖现有冷板结构的计划一直未能完成明显的功能提高。即使选用多资料战略，现有办法仍受限于预界说的资料分区与固定几许构型，这约束了资料布局与结构协同规划的自在度。此外，复合式冷板通常依赖人工分区而非彻底融入优化流程，导致资料过渡区域无法与流场动力学或热梯度形成最佳匹配，然后发生界面瓶颈或热应力会集问题。针对这一现状，本研讨提出适用于液冷式冷板的三资料拓扑优化结构。该办法经过同步优化流体通道布局与两种固体资料的空间散布，旨在满足多重方针需求——在操控全体重量与资料本钱的同时消除部分热点，然后弥合液冷电池热办理体系中资料科学与结构优化之间的鸿沟。
经过上述综述可知，作为处理电池储能体系（BESS）热办理问题的有用计划，液冷式电池热办理体系（BTMS）的功能首要取决于冷板的效能。具体而言，结构规划与资料散布对换热功率与活动阻力具有重要影响。一般来说，完成优化热办理装备的可行途径包含：1）考虑影响BTMS功能的多种规划因素；2）树立准确模型以确定各因素与方针之间的相互效果联系；3）展开多方针优化。但在实施上述步骤前，需经过全面研讨构建合理的体系规划计划。虽然已有研讨致力于协同优化液冷式BTMS的功能，若干要害应战仍未得到处理。

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  首要，现有拓扑优化研讨首要会集于流体域布局规划，而对导热资料散布潜力的探究仍显缺乏。本研讨经过树立三资料拓扑优化模型，突破了传统流固二元规划的局限。选用有序幂次插值法，咱们同步优化了流道布局与两种不同导热固体的空间散布，明显提高了低通风区域的规划自在度。
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  其次，拓扑优化技能目前首要应用于小容量动力锂电池的热办理规划，而储能电池在体系规模、能量容量和产热特性方面与之存在明显差异。本研讨将拓扑优化模型与高保真电化学-热-流体耦合模型相结合，专门针对大容量（46.59千瓦时）电池模块进行优化。这种办法保证优化结构可以由实在且非均匀的电化学产热驱动，而非根据简化的均匀暖流假定。
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  此外，针对储能电池模块的拓扑优化冷板布局的归纳剖析仍有缺乏。本研讨经过界说归纳点评参数（CEP），对两种构型进行了体系比较。咱们定量剖析了热均匀性、轻量化规划与泵功消耗之间的权衡联系，为大规模储能体系的热安全办理供给了可操作的规划辅导。

针对上述问题，本研讨的方针在于树立一个数值结构，该结构包含三资料拓扑优化模型和根据液体的电池热办理体系（BTMS）储能电池模仿。关于所规划的冷板，选用双方针函数以利用不同导热系数资料获得最优散布。这种根据复合冷板的BTMS可以结合每种办法的优势：分叉流道结构可降低摩擦阻力并改善流量分配，而高导热资料则能增强传热才能。根据此，本研讨的首要任务包含三部分：1) 对多资料冷板进行迭代演化与双方针优化剖析，提醒不同权重系数下的内在效果机制；2) 展开传统直通道与拓扑优化规划在不同活动工况下的流体动力学与冷却功率对比研讨；3) 选用复合式冷板对底部装置与侧壁装置布局的动力电池热办理效能进行体系对比剖析。本作业树立了面向大容量锂离子电池热办理的多资料拓扑优化结构，有望进一步拓宽液冷式电池热办理体系的规划与优化视界。