通过对流优化的拓扑结构设计，改进锂离子电池的散热性能

时间：2026年3月20日

来源：Journal of Energy Storage

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电池热管理系统拓扑优化与自然对流协同机制研究。通过密度基拓扑优化框架耦合热传导、自然对流和相变过程，提出协同设计目标平衡散热与潜热利用，揭示中间周期对流窗口中适度分支fin结构对促进涡流回流的作用，优化后电池均温降低1-4K，熔化分数提升5-10%，温度差减少20-35%

刘泽宇|尹丽杰|朱彤

同济大学热能与环境工程学院，上海，200092，中国

摘要

电池热管理系统（BTMS）必须限制峰值温度并提高空间均匀性，然而相变材料（PCM）的低导热性和基于直觉的散热片布局往往未能充分利用浮力驱动的自然对流。我们开发了一个基于密度的拓扑优化框架，该框架使用SIMP（带惩罚的各向同性固体材料）插值方法，将热传导、Boussinesq自然对流和固液相变通过焓-孔隙模型耦合起来。一个协同的联合设计目标在峰值温度、散热片体积分数和可制造性的约束下平衡了热量排放和潜热利用；通过响应面方法（RSM）获得了可制造的替代方案。时间分辨分析确定了一个“对流窗口”，在这个窗口内，适度分支的散热片层次结构促进了涡流驱动的循环流动和连通的回流通道，而不会产生过大的终端阻力。在材料和体积预算相同的情况下，与直散热片和T形散热片基线相比，拓扑优化后的网络使电池平均温度降低了约1-4 K，熔化分数增加了约5-10%，并且PCM在后期温度分布的差异减少了约20-35%；模拟结果与实验结果一致（最大相对误差<6.8%）。在对流窗口内，协同设计进一步将峰值温度在（t=600秒时）降低了0.7-1.3 K，与单一目标设计相比，延长了准等温平台期8-18%，并提高了18,650尺寸电池的热裕度和温度均匀性。参数研究确定了实际可行的尺度（壳体半径约18毫米；最小特征尺寸0.5毫米），并且RSM引导的径向散热片替代方案在仅增加约1-1.5 K的代价下保留了大部分优点，同时提高了可制造性。由此产生的设计规则是可行的：将适度的分支与对流窗口对齐，以更好地利用基于PCM的BTMS中的自然对流。

引言

近年来，对能效和减排的推动加速了电动汽车（EVs）的采用[1]。锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率而成为车载储能的主要选择[2]，[3]。在运行过程中，电化学反应和内部电阻产生的热量不可避免[4]；如果不散发掉，温度上升会降低性能和寿命，在极端情况下甚至可能引发热失控[5]。在低温环境下，缓慢的动力学过程会导致容量和效率损失。因此，将电池温度保持在约25-40°C的操作范围内是EVs面临的核心挑战[6]，这使得电池热管理系统（BTMS）成为研究和工程的前沿。

在热管理选项中——空气冷却和液体冷却、热管、相变能量存储以及混合方案[7]，[8]——相变材料（PCM）因其高潜热、准等温行为和被动操作特性而具有吸引力[9]，[10]。在充放电过程中，PCM吸收热量并将电池温度保持在接近熔点的水平；在静止状态下，它们释放储存的热量，从而平滑温度波动[11]，[12]。

常见PCM的低导热性限制了它们的有效性[13]，[14]。有机PCM的典型导热率低于0.3 W m^-1 K^-1，无机PCM的导热率通常低于0.6 W m^-1 K^-1[15]，这阻碍了热量的快速传播，并导致远端区域的利用不足。通过纳米颗粒、金属/碳泡沫、膨胀石墨或陶瓷支架等复合PCM可以改善导热性[16]，[17]；Aqib等人的实验表明Al2O3/MWCNT负载的石蜡具有更好的储能和传热性能[18]。然而，分散性、循环稳定性、成本和界面耦合仍然存在挑战，微观结构与宏观传输之间的定量联系仍然有限[19]。

一种更直接的结构方法是将高导热性的散热片嵌入PCM中，以创建横向的热量传播路径，从而提高均匀性和潜热利用[20]。比较研究表明几何形状对性能有显著影响——例如，Choudhari等人[21]发现I形散热片优于三角形散热片，并在某些条件下确定了四种近乎最优的散热片布局；对于EV电池组，Khaboshan等人[22]将PCM与金属泡沫和散热片结合使用，使表面温度降低了3 K，并将熔化时间推迟了470秒。然而，实际应用中的散热片布局大多基于直觉，并受到PCM体积的限制，使得多目标优化变得困难。

最近的研究进一步证实，散热片的几何形状和布局对热性能起着主导作用。Luo等人[23]表明，类似雪花状的分支散热片可以在保持电池间均匀性的同时降低温度；在PCM-热管混合系统中，Sharma等人[24]比较了十二种散热片方案，并证明散热片拓扑结构对于重复循环中峰值温度的抑制效果至关重要。Dey等人[25]研究的蜂窝网络也显示，某些布局几乎没有效果，而精细设计则提高了热量排放、空间均匀性和对热失控的抵抗力。Ping等人的参数分析[26]确定了散热片厚度、散热片数量/间距和PCM层厚度是冷却效率的关键因素。

大多数优化研究将BTMS架构视为固定的，并仅调整有限的参数集——即参数优化[27]，[28]。Zhao等人[29]将响应面和进化算法（如NSGA-II）应用于PCM-微通道混合系统，Nie等人[30]应用于非对称液体冷却通道，Shrinet等人[31]应用于接触面积可变的蛇形板，Li等人[32]应用于带有纳米流体的微U形板，这些方法都提高了温度均匀性和/或能量利用效率。然而，这种参数优化无法改变材料的连接性或发现非直观的材料分布。

相比之下，拓扑优化在给定约束条件下重新分配材料，以最大化性能，消除了几何先验[33]；该方法已广泛应用于结构、生物医学应用、流体和热传递领域[34]。基于密度的方法自然扩展到共轭热流问题：稳态传导公式产生了具有增强散热能力的分支散热器形态[35]，[36]，[37]，而Borrvall和Petersson[38]通过惩罚型Stokes模型实现了流道的拓扑设计。对于自然对流，Alexandersen等人[39]的大规模三维设计和Luo等人的水平集/LBM公式相比传统散热片显著提高了传热性能[39]；在较高的Grashof数下，拓扑优化的散热器相比针刺散热器基线提高了约36.9%的传热性能。

拓扑优化在热管理中的应用持续扩展[41]。例如，Han等人[42]为风冷电子设备设计了蜘蛛网状散热器，Chen等人[44]为锂离子电池冷却板应用了拓扑优化，获得了比蛇形基线更均匀的冷却效果和更低的压降；Wei等人[45]也报道了一种拓扑优化的冷却板，其热量排放效率显著高于基准方案。工业应用也已经开始（Dienemann等人[46]）。然而，现有的实现很少将拓扑优化与PCM和电池模块中的浮力驱动对流结合起来，很少同时优化热量排放和潜热存储，且经常忽略可制造性和替代方案的设计。

为了解决这些问题，我们专注于基于PCM的圆柱形电池BTMS：（i）开发了一个基于密度的拓扑优化框架（SIMP），该框架在峰值温度、散热片体积分数和最小特征尺寸的明确约束下，将导热、自然对流（Boussinesq）和固液相变（焓-孔隙）耦合起来；（ii）提出了一个平衡热量排放和热量存储的协同目标；（iii）阐明了在中期对流窗口内适度分支变得有益，并与直散热片和T形基线进行了对比；（iv）通过响应面方法获得了可制造的径向散热片替代方案，同时保留了大部分热优势。

本文的其余部分组织如下。第2节介绍了拓扑优化公式和相关理论。第3节详细介绍了热物理模型和瞬态分析，包括实现、网格敏感性评估和验证。第4节报告了不同设计参数和目标下的优化结果，以及对散热片架构的比较评估。第5节总结了研究结果并展望了未来方向。