基于相变材料与液冷耦合的锂离子电池热管理系统多目标优化与性能分析

本文设计了一种结合相变材料(PCM)与蛇形液冷通道的混合电池热管理系统(BTMS)，通过数值模拟分析PCM类型/厚度、冷却通道数量/流型对系统性能的影响，并采用多目标优化方法协调热管理性能与能耗矛盾。优化后系统在2.5C放电率下最高温度(Tmax)控制在43.57°C，温差(ΔTmax)降低13.50%，能耗减少79.12%，为平衡电池热安全与能效提供新方案。

　　

Highlight

为提升锂离子电池在高倍率放电时的热性能并降低能耗，本研究创新性地将相变材料(PCM)与蛇形液冷通道集成设计。通过参数优化发现：7mm厚PCM搭配双通道逆流配置可显著改善电池温度均匀性，而通道高度、冷却液流速/入口温度等参数需通过多目标优化协调其非线性耦合效应。

Results and discussion

在2.5C放电条件下，优化系统将电池最高温度(T_max)和最大温差(ΔT_max)分别控制在43.57°C和4.42°C，较初始设计温差降低13.50%，能耗锐减79.12%。这表明液冷参数存在显著交互作用——例如通道高度增加虽可增强换热，但会引发压降剧增，需通过熵权TOPSIS法平衡矛盾指标。

Conclusions

1. 1.

   存在最佳PCM厚度可同时抑制温升和温差；

2. 2.

   双通道逆流设计比单通道降温效果提升22.3%；

3. 3.

   多目标优化解决了液冷参数间的冲突效应，使系统达成"降温不耗能"的协同增益。该研究为电动汽车电池热安全设计提供了"温度-能耗"双优解。