基于NSWOA算法的相变耦合热管理系统多目标优化及其在锂离子电池热管理中的应用研究

本文推荐一篇关于锂离子电池热管理系统的创新研究，作者通过开发相变材料(PCM)冷却模型并结合非均匀电池排列优化温度分布，采用熵权TOPSIS-NSWOA混合优化策略设计出液冷-PCM耦合系统。在4C放电倍率下，优化后系统最高温度降至311.41K（降低5.89K），温差控制在4.71K，满足18650电池安全标准（25-40°C，ΔT<5°C），为新能源汽车电池热管理提供了兼具散热效率与温度均匀性的解决方案。

　　

引言

随着新能源汽车快速发展，锂离子电池在极端工况下的热积累问题日益突出。研究表明，过热会导致正极金属腐蚀和热失控(TR)，而低温则造成容量衰减。理想的电池工作温度需维持在25-40°C且温差小于5°C，这对热管理系统(BTMS)设计提出严峻挑战。

方法与原理

电池产热模型

基于Bernardi模型，电池总热量Q由化学反应热Q_r、内阻热Q_j、极化热Q_p和副反应热Q_s构成。通过等效热参数计算，18650电池轴向导热系数达20.15 W/(m·K)，径向仅1.1 W/(m·K)，呈现显著各向异性。

相变材料传热模型

采用"焓-孔隙度"策略建立三维PCM传热模型，通过连续性方程、能量方程和动量方程描述RT27石蜡的相变过程。实验验证显示，模拟与实测液相率偏差小于5%，熔化趋势高度吻合。

单电池与PCM验证

实验测试

在300.15K环境温度下，18650电池4C放电时内阻从56mΩ（SOC=0.1）降至44.6mΩ（SOC=1）。温度传感器数据显示，表面最高温度达317.32K，超出安全阈值。

仿真验证

简化后的圆柱模型通过网格独立性验证（716k网格），模拟与实验温度误差≤1.5K。PCM熔化实验中，玻璃容器热阻差异导致模拟相变时间较实验提前约3%。

耦合系统优化

液冷板布局比较

五种布局方案中，上下双液冷板逆向流动方案表现最优：4C放电时最高温度309.11K，温差5.35K。但该方案仍存在边缘电池冷却不足问题，需进一步优化。

NSWOA-熵权TOPSIS优化

通过拉丁超立方采样获取15组参数组合，建立二元二次响应面模型（R²>0.99）。NSWOA算法生成的Pareto解集显示，温度与温差呈负相关。最优参数为：冷却液温度306.15K、流速0.391m/s、流道高度2.13mm，最终实现311.41K最高温度和4.71K温差，较单相变冷却系统降温5.89K。

结论

1. 等效热参数模型准确模拟电池行为，最大误差1.5K；

2. 双向对流液冷-PCM耦合方案显著提升散热性能；

3. 优化系统在4C放电下满足18650电池安全标准，温差控制精度达4.71K。

该研究为新能源汽车电池热管理提供了兼顾效率与均温性的创新解决方案，其中非均匀排布设计和多目标优化策略对下一代BTMS开发具有重要指导意义。