基于相变浆体的电池冷板拓扑优化研究
基于相变浆体的电池冷板拓扑优化研究
在电池储能系统运行过程中，锂电池内部电化学反应会产生大量热量，对电池的性能和寿命产生不利影响。设计合理、高效的电池热管理系统至关重要。液冷是有效的方法之一，最常用的工质是水。本研究提出用相变浆体（Phase Change Slurry，简称PCS）代替水，同时结合拓扑优化设计策略对冷板优化设计来获得更高效的冷板结构，从而提升热管理系统的整体效率。
电池热管理系统原理
本文设计的电池柜液冷散热系统示意图如图1所示。该系统采用PCS作为冷却工质，将每层电池组产生的热量传递出去。热量通过冷板中的PCS传递到换热器，再通过冷却塔散发到环境中。其中电池模组与冷板呈“夹层式”布置，每层设有两个冷板。由于电池柜内各层电池组串联，电流保持恒定，发热情况类似。对单个电池组冷板性能的研究可以为后续对整个电池热管理系统的性能分析提供基础。因此，本文基于相变浆体对电池柜中单个电池模组的冷板流道进行了拓扑优化设计。
图1 图文摘要
图2 电池热管理系统原理图
拓扑优化方法与仿真分析
本文首先基于变密度法的拓扑优化方法，以冷板表面的平均温度最小和冷却液流动阻力系数最小为优化目标，建立了冷板的二维模型，如图3所示。然后采用COMSOL软件完成了冷板的拓扑优化仿真过程，利用移动渐近线算法MMA求解该优化问题，并通过迭代寻优得到了优化结果。
图3 冷板几何模型和边界条件
性能对比分析
首先，将拓扑优化冷板（TCP）和常规矩形流道冷板（RCP）的冷却性能进行了对比，如图4所示。拓扑优化冷板（TCP）和常规矩形流道冷板（RCP）的平均温度（Tave）均随着PCS浓度的增加而减小。与水相比，当PCS浓度为20%时，TCP和RCP的Tave分别降低了10.7%和13.2%。由此证明，PCS的冷却性能优于纯水，采用PCS可以提高冷板的冷却能力。此外，在不同PCS浓度下，TCP的Tave始终低于RCP，最大降低幅度为23.9%。结果表明，拓扑优化可以进一步提高冷板的冷却性能。
图4 (A) RCP和TCP的表面温度分布 (B) PCS的液相体积分数 (C)不同PCS浓度下TCP和RCP的平均温度和均方根温度
此外，RCP和TCP的均方根温度（Tδ）均随着PCS浓度的增加而减小。当PCS浓度为20%时，RCP和TCP的Tδ与纯水相比分别降低了6.8%和53.5%。由此说明，PCS可以改善冷板内温度分布的均匀性。此外，在不同PCS浓度下，TCP的Tδ始终低于RCP，最大降低80.8%，表明TCP的温度分布更加均匀，进一步证实了拓扑优化提高了冷板温度分布的均匀性。
最后，将拓扑优化冷板和常规矩形流道冷板的流动性能进行了对比，如图5所示。在RCP中，中间区域流道与入口直接相连，导致中间流道的流动阻力明显低于两侧流道。因此，冷却液通过中间流道的速度更快，导致速度分布不均匀。然而，TCP的主通道细分为许多较小的次级通道，各通道之间流动阻力的相似性确保了TCP内均匀的速度分布。此外，由图5冷板的速度局部放大图可知，TCP具有接近流线形状的内壁，避免冷却液在通道中大幅度折转和冲击内壁，有助于降低流动损失，促进有利的流动分布并最大限度地减少尖角的存在，从而降低压降。
图5 不同PCS浓度下TCP和RCP的数值结果：(A) RCP的速度分布 (B) TCP的速度分布 (C)流动阻力系数 (D)综合性能指标
此外，在不同浓度下，TCP的流动阻力系数（f）均低于RCP，最高可降低18.2%。因此TCP在不同相变浆体浓度时均可以达到流动减阻的效果。对于RCP，冷却液为相变浆体时的冷却效果较好，并且在不同相变浆体浓度时，TCP的综合性能均优于RCP。
结论
本文进行了基于相变浆体和拓扑优化冷板的电池热管理研究，以提高系统的冷却性能，同时降低泵的功耗。主要结论如下：TCP的冷却性能优于RCP。此外，TCP在不同PCS浓度下的流动阻力均低于RCP。与RCP相比，当PCS浓度为20%时，TCP的平均温度、均方根温度和流动阻力系数分别降低23.9%、80.8%和18.2%。后续，我们将继续进行实验来验证和完善之前的模拟研究。同时，将尺寸约束应用到拓扑优化方法中，优化TCP的流道结构，提高冷板的可制造性，降低加工成本。
本文原文来自The Innovation Energy