面向高能量密度电池增强射流浸没式冷却的多孔板代理模型辅助多目标优化

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Surrogate-assisted multi-objective optimization of a perforated plate for enhanced jet-immersion cooling of high-energy-density batteries

　　

**摘要**

单相浸没式冷却中冷却液分配不优化，会导致局部热点和冷却液消耗问题，从而限制了大容量储能电池的热管理性能。本文提出了一种带孔板辅助的射流-浸没复合冷却系统，通过专门设计的冷却液分配构型来提升电池的热管理性能。初步机理分析表明，孔板可以有效削弱出口抽吸效应，使冷却液在整个热管理系统中均匀分布。引入孔板后，电池表面的对流换热系数增大，表面温度降低。为进一步改善热管理性能，本文开发了一种基于神经网络代理模型的NSGA-II多目标优化方法，对系统结构进行优化。该方法将电池表面最高温度和压降作为相互矛盾的指标，从而获得了最优孔板结构，实现了合理的冷却液分配并提供了最佳的浸没冷却性能。最终，优化后的结构在不增加压降的前提下将温升降低了约70%，电池表面最大温差控制在3°C以内。

**引言**

随着储能系统向大容量和高集成度方向发展，280 Ah磷酸铁锂电池被广泛采用。然而，热量积聚、温升过高以及电芯间不一致等问题日益突出[1]。因此，开发既能确保高效散热又能保证温度均匀性的热管理策略，对大容量储能系统至关重要。

针对电池热管理需求，现有研究主要聚焦于三条技术路线：风冷、冷板液冷和浸没式液冷。风冷结构简单，但由于空气的传热特性，在高热流条件下难以同时满足快速散热和温度均匀的要求[2]。虽然冷板液冷可以改善传热，但其本质仍为间接冷却。热量需要经过电池壳体、接触界面和冷板等多层传热路径，界面热阻难以避免[3][4][5][6]。对于280 Ah储能电池模块，随着热流密度的持续提升，上述方法在增强传热能力和提高模块内部温度一致性方面仍存在不足。因此，电池与冷却介质直接接触的浸没式液冷逐渐成为更具前景的技术路线。从工作流体的相态角度，浸没式液冷可分为两相浸没和单相浸没两类。两相浸没依赖工作流体的沸腾潜热实现高效传热，理论散热上限更高，但对密封设计、系统压力控制、工作流体管理以及长期运行可靠性要求更高[7]。相比之下，单相浸没系统结构相对简单，运行更稳定，工程实施更便利，更适合大容量储能系统的实际应用需求。实验研究表明，单相液体浸没可以有效抑制电池运行过程中的高温波动和热应力[8]；针对18650电池组和圆柱电池模块的研究进一步验证了单相浸没在电池组和模块级热管理中的可行性[9][10]。因此，单相浸没式液冷已成为储能电池热管理的重要研究方向。

单相浸没冷却的传热效率取决于冷却液和流道构型。关于冷却液选择方面，Banerjee[11]在棱柱形电池组中比较了空气、去离子水、正庚烷和Novec 7200的性能，Suhendra等人[12]在圆柱形模块中评估了去离子水、RT22HC和矿物油的性能，两者均证实冷却液选择显著影响散热能力和均匀性。关于合成酯类流体[13][14]和硅油[15]的研究进一步表明，最佳流速随流体性质和放电倍率而变化，过高的流速会增加泵功消耗。

在流道架构设计方面，大量研究致力于通过修改流道几何形状、添加扰流或导流元件以及优化流体再分配路径来提升浸没冷却性能。Ye等人[16]受特斯拉阀原理启发，设计了一种非对称流道几何形状，使冷却液沿特定方向流动，从而增强圆柱形电芯之间的局部传热。Li等人[17]系统研究了电芯间距、流道高度等几何参数对1P52S 280 Ah棱柱形磷酸铁锂电池组浸没冷却性能的影响。结果表明，大容量电池组的热管理性能对结构设计高度敏感，优化几何尺寸可显著改善温度分布。Wang等人[18]对锂离子电池模块进行了数值模拟，结果表明优化流道宽度和入口形状等几何参数对整体温度均匀性至关重要。

此外，虽然流道结构设计[19][20][21]、非均匀冷管耦合方案以及温度不均匀性抑制策略的研究各有侧重，但它们都通过调整流道几何形状来影响流动和传热。Peng等人[22]在280 Ah电池之间布置挡板，人为在流场中诱发湍流，从而提高电池表面温度分布的均匀性。Tang等人[23]在平行流浸没系统中引入偏转板，发现这些元件不仅能改变局部流向，还能通过重构流场影响系统级传热性能。Bao等人[24]设计了鳍片微热管阵列与浸没液冷的复合结构，实验表明该复合增强方法可以有效提高传热能力。Choi等人[25]采用微通道和金属泡沫辅助结构，进一步证明增强元件的作用不仅限于增大换热面积，还包括改变流体流动路径和局部换热条件。

此外，通过在流道中引入各种类型的扰流或导流结构[26][27][28][29][30]——如扰流柱和导流肋片——这些设计虽然具体形式各异，但本质上都是通过增加局部湍流或重构流场来缓解模块内的流动不均匀性，从而增强传热。Bai等人[31]设计了一种分流结构，通过优化系统内的冷却液分配通道实现均匀流动分配；结果表明，提高整体传热性能的关键在于缓解流动分配的不均衡。He等人[32]将数值模拟与实验研究相结合，展示了大容量方形电芯在浸没环境中的整体传热特性，为流体再分配路径的设计提供了基础依据。模块级浸没系统设计[33]也从整体流道角度表明，浸没冷却性能的瓶颈在于流场分配的合理性。

为减少冷却液消耗，喷雾和液滴接触等局部液供方法被引入[34][35][36][37]。这些方法可以在低流量条件下实现较高的传热系数，但需要供液系统内流体均匀分布。然而，现有的流道架构设计主要侧重于在液体充足的假设下进行宏观层面的优化，缺乏针对电芯排列不均匀和产热不均匀所导致局部热点问题的定向结构优化。因此，本文提出了一种基于射流冲击的孔板设计，同时考虑系统流体量和局部热点抑制。

因此，射流冲击液冷为减少传统全浸没系统中冷却液用量提供了一种有效途径。实现冷却液的合理分配是此类系统成功的关键。然而，现有研究仍存在两个明显不足。首先，上述流道架构设计主要侧重于整个系统的宏观层面优化，通常假设系统已有充足的液体量。其次，由于电芯排列差异和产热不均匀，电池模块内不可避免地存在局部热点。然而，现有的宏观层面流道架构设计缺乏针对这些局部差异的定向结构优化，以实现更合理的冷却液分配。为解决上述问题，本文提出了一种基于射流冲击的孔板设计，同时兼顾系统流体量和局部热点问题，旨在低冷却液用量下抑制局部热点。

孔板已在浸没系统中得到应用，主要用于全浸没条件下的传热增强[27][38]。然而，其在低流量射流冲击条件下的流场再分配潜力尚未被探索。孔板的关键参数——开孔面积比、孔分布和板高度——相互耦合，共同影响传热性能和流动阻力，在温度抑制和压降之间存在权衡关系。为解决该多目标优化问题，基于代理模型的智能优化方法已被证明有效[39]，为本研究中孔板设计的优化提供了方法学支持。

基于上述背景，本文研究了一种将射流-浸没法与孔板相结合的复合冷却系统，用于280 Ah大容量储能电池。单相浸没冷却中冷却液分配不优化，导致局部热点和冷却液消耗增加，从而限制了热管理性能。为解决这些问题，本文提出了一种带孔板辅助的射流-浸没复合冷却系统，具有专门设计的冷却液分配构型。初步机理分析表明，孔板可以有效削弱出口抽吸效应，使冷却液在电池间隙中均匀分布。引入孔板后，电池表面的对流换热系数增大，表面温度降低。为进一步改善热管理性能，本文开发了一种基于神经网络代理模型的NSGA-II多目标优化方法，对系统结构进行优化。该方法将电池表面最高温度和压降视为两个相互矛盾的指标，从而获得最优孔板结构，提供合理的冷却液分配并实现最佳的浸没冷却性能。

本工作为大容量储能电池热管理系统的设计提供了理论和方法学基础。

**几何模型**

本节考虑的电池模块由厦门海辰储能科技有限公司的六节280 Ah大容量磷酸铁锂电芯串联组成，相邻电芯之间间距为5 mm[12][14]。电池参数列于表1。端子由铝制成，其对整体模块温度的热效应可忽略不计。电池通过顶部液体射流冲击和底部浸没进行冷却。每个顶部射流孔对应一……

**PP-JI BTMS的流动与传热分析**

为评估孔板在280 Ah大容量电池射流-浸没冷却系统中的调控作用，本节在现有顶部均匀射流构型基础上引入孔板结构，并与无孔板的参照系统进行比较。如图4(a)所示，尽管顶部射流冲击可以在入口提供相对均匀的初始流体供应条件，但系统仍采用单侧出口布置。

**结论**

本文提出了一种结合射流冲击和浸没冷却、辅以多孔板的新型复合冷却系统，用于280 Ah大容量磷酸铁锂电池模块。通过三维瞬态数值模拟、单因素分析和基于神经网络的多目标优化，系统地研究了多孔板结构参数对热管理性能的影响。主要结论如下：

（1）……

**CRediT作者贡献声明**

李媛媛：撰写——初稿，资金支持，概念构思。安宁宁：撰写——初稿，方法学，调查研究。孟京辉：撰写——审阅与编辑，验证，监督，方法学。路贵：撰写——审阅与编辑，验证，资金支持，概念构思。

**利益冲突声明**

作者与任何与本稿件讨论主题有直接或间接财务利益的组织均无关联。

**致谢**

作者感谢国家自然科学基金（编号52376008）和中央高校基本科研业务费（编号2025JC005和2025JG003）的资助。

李媛媛 | 安宁宁 | 孟京辉 | 路贵