锂离子电池同心结构液冷板冷却性能分析及结构优化

杨涵; 刘宁豪; 高强; 杨广丰

西安交通大学学报 ›› 2025, Vol. 59 ›› Issue (3) : 172 -188.

杨涵, 刘宁豪, 高强, 杨广丰

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摘要

针对锂离子电池在工作过程中产生大量热量，从而导致温度和温差升高，进而威胁电池的性能、使用寿命和安全性的问题，提出了一种新型同心十边形结构液冷板设计方案。该方案旨在通过优化液冷板的冷却性能，有效降低电池的工作温度和温差，从而延长电池的使用寿命并提升其安全性。通过数值仿真，研究了不同结构液冷板的冷却性能，采用熵权法分析的结果表明，同心十边形液冷板在综合冷却性能方面表现最佳。为了进一步提升液冷板的冷却效果，通过单因子分析法研究了环形流道的宽度、深度、液冷板壁厚和圆心距等结构因素对电池组冷却性能的影响。采用正交试验法筛选出了3个对液冷板冷却性能影响最大的结构因素作为设计变量。以电池组的最高温度、最大温差和平均温度作为目标函数，建立设计变量与目标函数之间的响应面代理模型，并采用NSGA-Ⅱ算法对液冷板结构因素进行了优化。利用熵权法确定了帕累托前沿最优解，改善其他研究在选择最优解时受主观影响的缺陷。仿真结果表明：相比于初始结构，优化后的液冷板电池组的最高温度、最大温差和平均温度分别下降了1.39、0.42、1.15℃,并且温度均匀性得到了显著改善。通过在不同放电倍率和环境温度下的验证，证明了优化结构在多种工况下的鲁棒性。该研究结果可为液冷式锂电池冷却结构的设计与优化提供有效的理论依据和实践参考。