锂离子动力电池冷却用多孔双层微型通道冷板的热水力耦合分析与基于响应面法(RSM)的优化

《Results in Engineering》：Integrated Thermohydraulic Analysis and RSM-Based Optimization of Porous Double-Layer Minichannel Cold Plates for Lithium-Ion Battery Cooling Applications

　　

摘要：锂离子(Li-ion)电池的热安全限制仍是高功率电动汽车(EV)应用中的主要挑战。研究人员通过数值方法评估了一种多孔双层微型通道电池热管理系统(Battery Thermal Management System, BTMS)，考察了1C–3C放电倍率下的五种流动构型。三维共轭传热(Conjugate Heat Transfer, CHT)模拟表明，流动布置在光壁(无多孔)通道中影响甚微，而在多孔通道中表现出强烈的构型依赖性；其中多孔–平行流(Porous–Parallel)设计获得最佳冷却性能，将峰值温度降至32.7?°C并将温度不均匀性限制在7.6?°C。尽管逆流(Counter-type)构型产生较高努塞尔数(Nusselt number, Nu)，但会引入显著的热非均匀性。响应面法(Response Surface Methodology, RSM)框架识别孔隙率(porosity, ε)和雷诺数(Reynolds number, Re)为支配热-水力性能的主导参数，最优工况出现在ε≈0.8和Re≈300附近。进一步权衡分析表明，显著降低峰值温度伴随液压损失增加，而中间构型以有限的热妥协部分补偿了该惩罚。权衡分析还揭示，使峰值温度降低约11.5?K需将近四倍的压降增量，而中间构型以最小热折衷回收约34%的该惩罚。结果为设计能满足下一代EV电池严苛热需求的高效BTMS架构提供了数据驱动指南。

论文解读：《Results in Engineering》刊载的本研究由Sajjad Sarvar、Roohollah Rafee、Saman Rashidi及Seyed Mohammad Vahidhosseini完成。

【研究背景与意义】

锂离子(prismatic Li-ion)电池须工作在25–45?°C的窄温区内，高倍率放电下产热集中易致温升超限、老化加速甚至热失控。传统液冷微型通道(minichannel)冷板在高热负荷下存在峰值温度过高与沿程温差偏大问题，单纯改变流向（平行/逆流）对光壁通道改善有限。双层通道可改善均温性但增阻明显，填充多孔介质(porous medium)虽可强化固体–流体接触与热弥散(thermal dispersion)，但流动构型对多孔双层系统的热–水力耦合影响尚缺乏系统量化。为此，研究人员提出将双层微型通道与高渗透率烧结金属纤维多孔介质集成，系统考察五种层间/通道间流向组合，并借助响应面法(Response Surface Methodology, RSM)基于Box–Behnken设计(Box–Behnken Design, BBD)开展多目标优化，为下一代EV电池包冷板设计提供定量依据。

【关键技术方法】

研究人员建立棱柱形电池–铜冷板–水回路的三维稳态层流共轭传热(Conjugate Heat Transfer, CHT)模型，采用Brinkman–Darcy–Forchheimer方程描述各向异性多孔介质内流动（烧结铜纤维ε=0.7，渗透率K_p,x/z=1.90×10^?10m2，K_p,y=9.03×10^?11m2），局部热平衡(Local Thermal Equilibrium, LTE)假设下单温能量方程；电池内置各向异性导热系数(k_bx=22.48 W/m·K，k_by=k_bz=0.302 W/m·K)并以时间多项式六次项UDF加载1C/2C/3C体积热源(?_gen)；入口水温T_in=25?°C、速度u_in=0.3 m/s，出口大气压，固–液界面无滑移及热通量连续，侧边对称绝热；ANSYS Fluent中FVM离散、SIMPLE算法、二阶迎风，残差<10??；经网格独立性验证选约97万单元；以Nu、摩擦因子(f)、压降(Δp)及热–水力性能因子(thermohydraulic performance factor, η=(Nu/Nu?)/(f/f?)^1/3)为评价指标；采用BBD安排三因素(C-rate, ε∈[0.6,0.8], Re∈[300,700])共17组仿真，建2FI回归模型并做多目标寻优与满意度(Desirability)分析。模型经电池温升实验、直微型通道Nu/Δp实验及多孔通道速度剖面实验校验(A.A.D.≤5.2%)。

【研究结果】

5.1 电池模块热特征(Thermal Characteristics of Battery Module)

5.1.1 最高温度分析(Maximum Temperature Analysis)：光壁通道中五种流向T_max差异<0.5?°C(3C时35.17–35.61?°C)，流向影响可忽略；多孔通道中平行流与双逆流(Double-counter)降温最显著，多孔–平行流在3C下T_max=32.73?°C，较光壁平行流低2.89?°C，逆流/交错/逆交错因局部渗透不均致T_max>40?°C。结论——多孔介质结合平行流因速度分布平坦及固–液接触面积增大最有效抑制峰值温度。

5.1.2 温度均匀性(温度差, Temperature Uniformity)：光壁平行流3C下ΔT≈8?°C最大，逆流/交错类降至≈6?°C；多孔通道则相反，平行流ΔT最小(3C下7.6?°C)，逆流类因惯性损失与渗透不均致ΔT升高甚至超5?°C安全限。结论——多孔介质内部热传导与弥散使平行流均温性最优，非平行流反而恶化温差。

5.1.3 流动与换热机制(Flow and Heat Transfer Mechanisms)：冷板–电池接触面温度云图显示，多孔平行流因流速均匀化抑制局部热点；逆交错及逆流因层间冷热流体交互致中段升温区扩大、温差增大。双逆流每层内平行但邻对逆流，入口强冷放大整体温差。结论——流向与多孔结构相互作用决定冷热斑分布，平行流最利于消除热点。

5.1.4 三维温度场分析(Three-Dimensional Thermal Field Analysis)：三维温度等值面证实平行流温度沿流向平缓上升、无高温积聚；其余构型在中段现高温带。结论——平行流在多孔双层系统中提供最均匀三维温度场。

5.2 水力与热–水力特征(Hydraulic and Thermohydraulic Characteristics)

5.2.1 压降与Nu数(Pressure Drop and Nu Number)：光壁与各多孔构型间Δp因几何及总流量相同基本不变；光壁平行流Nu最高(≈20.5)，其余略低；多孔通道Nu受流向影响大(987–1155)，但Δp仍不受流向显著影响——压损主由Darcy–Forchheimer阻力控制。结论——多孔系统热传递对流向敏感而水力阻力不敏感。

5.2.2 热–水力性能因子(Thermohydraulic Performance Factor)：以光壁平行流为基准，光壁改流向η<1；多孔各构型η>5且逆流/交错/双交错可达≈6.9，最优设计点η达11.3。结论——多孔介质使热–水力综合性能成倍提升，流向调制可进一步挖掘潜力。

5.2.3 热–水力权衡与设计启示(Thermohydraulic Trade-off and Design Implications)：降低T_max≈11.5?K需Δp从≈1.68×10? Pa增至≈6.72×10? Pa(近四倍)；退回至中间构型可回收≈34%压降惩罚且T_max仍可接受(≈37.9–39.9?°C)。结论——存在兼顾热安全与泵功的实用工况窗口，极强化方案(最高η点)适合极端场景，中等强化适合量产EV平台。

5.3 瞬态热行为(Transient Thermal Behavior)：平行流工况下，多孔与光壁T_max曲线初期重合，约1100 s后差>5?°C；全程未超安全限，多孔通道时均ΔT=2.77?°C(光壁3.26?°C)。结论——多孔平行流在瞬态过程中亦维持更低更均温度。

5.4 基于RSM的优化(Optimization Results Using RSM)

5.4.1–5.4.2 RSM框架与灵敏度：BBD 17组仿真建2FI模型，R2=0.9496；扰动与交互图表明ε与Re主导η(ε正效应，Re负效应)，二者具显著交互作用(p=0.0037)，C-rate影响不显著(p=0.5921)但因高热产保留于优化。结论——多孔双层BTMS性能由孔隙率与雷诺数耦合控制。

5.4.3 回归模型与统计校验：η=7.10+0.0875A+1.82B?1.01C?0.0202AB?0.0078AC?0.8405BC(A:C-rate, B:ε, C:Re)，模型F=31.42(p<0.0001)，Adeq Precision=19.77。结论——简化2FI模型可靠表征响应面。

5.4.4 多目标优化与满意度分析：固定C-rate=3，复合满意度(D)最高区位于ε≈0.75–0.80与Re≈300–350，略偏离单目标η极大点(ε=0.8, Re=300)系为平衡压降与换热。结论——满意度法识别出工程最适操作区间而非单纯η极大点。

5.5 多孔介质质量与泵功影响(Porous-media Mass and Pumping-power Effects)：ε=0.6多孔体质量≈64.5 g，ε=0.8降至≈32.3 g(减重~50%)；同Re下低ε泵功显著更高，曲线间距随Re拉大。结论——高孔隙率兼顾轻量化与低寄生功耗，ε≈0.7可作折中。

【讨论与结论翻译】

研究表明：(1)多孔介质集成明显强化热性能但其效果强烈依赖流动构型，多孔–平行流于3C将电池T_max降至32.72?°C(光壁≈35.6?°C)并使ΔT=7.6?°C，综合最优；(2)流动构型对光壁及多孔通道Δp影响均可忽略，但显著调制Nu(多孔通道Nu=987–1155)；(3)传统认知中逆流/交错强化换热之规律在多孔系统中反转——其致更高T_max与ΔT，平行流因流场与温度场均匀获最佳均温性；(4)热–水力性能因子η于多孔通道最高>7.7并可至11.3，灵敏度分析确认ε与Re为主控参数，最优区近ε≈0.8、Re≈300；(5)热–水力存在明确权衡——T_max降≈11.5?K需Δp增近四倍，中间构型回收≈34%压降惩罚且T_max仍处可接受范围，指明实用设计窗口。综上，BTMS最优性能需多孔结构与流动条件协同匹配，多孔双层微型通道以平行流为最有效且工程可行的解决方案。未来建议探索相变材料(PCM)复合多孔基质、热管–多孔介质耦合及全生命周期与经济性分析。