特斯拉类阀门电力邱健蓄电池冷却优化设计中的单相和两相传热：拓扑优化、多目标优化、实验与数值模拟的耦合研究

通过沸腾和冷凝过程实现的冷却效果，本质上与所建立的两相流动模式密切相关。下游气泡的聚集导致液塞流动拉长，进而诱发气泡回流不稳定。这一现象引发了冷板热传递恶化等问题，表现为回流振荡和局部干燥现象，而平行通道则表现出不同通道间的非均匀沸腾热传递和异步沸腾行为。本研究提出了一种利用拓扑设计结构阵列重建平行直通道的方法，从而防止气泡回流。首先，基于三种不同的雷诺数开发了三种拓扑布局，并通过实际测试确认了它们的流动行为。在动力电池应用的热管理阵列上进行了流体动力学和热传递的模拟。随后，通过多目标优化策略完善了热交换器和进冷却速率的关键特性。进行了一项实验研究，评估冷却装置在单相对流和两相流动沸腾状态下的水力行为和热效率。研究数据证实，Re为40的情况，二极度（Diodidity）值相较于传统直线通道提升范围为0.4至0.6。与基线设计进行基准对比显示，优化后的Opt-1模型在热和液压性能上更优，降低了峰值温度（T）_马克斯） 将截面温度分布（ΔT）缩小1 K，实现所需压力差（ΔP）降低51.96%。最后，对冷板温度分布进行了表征，并研究了不同体积流量或入口过冷条件下核沸点（ONB）的变异，以实现最佳热水力性能。阐明了ONB变异的基本机制和模式。

 

随着环保、高效和低碳足迹的日益认可，新能源车辆也受到越来越多的关注和偏好[1]、[2]。作为这些车辆的核心组件，电池的性能直接决定了整体车辆性能，温度是影响电池性能的关键因素[3]。然而，在涉及激烈电流循环和高温的严苛运行场景下，电力电池会产生显著的热量，从而促进其热状态的稳步上升[4]， [5]。过高温度加速电池老化，减少容量和循环寿命，甚至可能引发热失控[6]、[7]、[8]，带来安全隐患。因此，研究高效且稳健的电池热管理策略对于保障运营安全、支持电动出行的可持续增长和广泛应用至关重要。
电池模块中主要的温度控制方法包括空气冷却[9]、[10]、液冷[11]、[12]、相变材料冷却[13]、[14]和热管冷却[15]、[16]。目前，液体溶液在高能量密度电池系统中保持其热量管理的主导地位，冷却板作为这些液基循环系统的核心元件[17]、[18]。Huo等[19]开发了一种利用微通道冷板用于电池的热管理系统。观察到最大电池温度随着通道数量和进气质量流量的增加而下降。此外，流量对齐对热管理的影响在较高质量流量下显著减弱。Qi等人[20]提出了一种新型水轮形挡板涡轮冷板。结果显示，在尺寸方面，小型水轮配置在热效率系数（JF）上比大型水车提升了7.6%，尽管最高温度略高于35.05°C。 当内层和外层逆时针排列时，T_马克斯降温至34.96°C，展示了最佳冷却性能。Ran等人[21]提出了一种结合了相变材料（PCM）和双层冷板的新型热管理系统（TMS）。结果证实了拟议设计在管理复合材料热能方面的优越热调节能力。该配置展现出卓越的热管理效能和显著的温度均匀性。Zhan等人[22]提出了一种新型树突状通道冷板，结果显示其在与传统直通道设计相比下，具有更强的冷却性能，且Δp更低。然而，大多数方法基于经验优化，因此很难在热传递增强与流阻降低之间实现最佳平衡。
在冷板流通道的持续优化之后，拓扑优化的应用为其设计提供了新途径。Wang 等人[23]采用基于密度模型的拓扑优化方法计算液态冷板的通道配置。拓扑优化的结构优于传统的矩形结构，表现优越，T _马克斯以及ΔT分别减少了1.62 K（约0.53%）和0.55 K（约11.55%）。Deng 等人[24]采用了双滤波器投影方法来优化冷板通道。结果证明，当双投影点设为0.7，双投影斜率设为8时，实验值与模拟值之间的相对偏差存在_马克斯Δ T和ΔT分别被限制在4%和10%以内。Zhan等[25]提出了一种基于拓扑优化的设计方法论，用于多入口多出口的液冷板，旨在解决电池冷却应用中提升热性能与降低泵送功率之间的权衡。与传统的直通道冷板相比，拓扑优化冷板在流动和传热特性上表现优越。
然而，由拓扑优化衍生出的基本结构单元仍需系统集成并在整体系统架构中进一步完善。Song 等人[26]采用了拓扑设计和多目标优化的综合方法来重建流形微通道（MMC）。优化后的MMC性能表现为平均传热系数比传统对应型高出19.4%。这一提升伴随着在9.53毫瓦抽水功率下，最佳流量下最大升温减少了15.2开尔文。Xu等人[27]优化了电动车全尺寸电池冷却板。研究发现，与蛇形设计相比，多目标性能提升了23.33%，其特点是压降降低275.78 kPa，ΔT降低0.09 K，尽管平均温度上升了0.63 K。Wu等人[28]开发了一种基于热流体耦合和多目标拓扑优化的直接接触冷板设计方法，以增强棱柱式锂离子电池的热管理。与传统矩形冷板相比，优化冷板的ΔP和热阻分别显著降低了52.54%和65.65%。Lin等人[29]提出了一种综合电池组方法论，结合了多物理模型（涵盖电化学、流体力学和热场）与多目标拓扑优化。研究表明，与蛇纹石冷板相比，优化设计可实现更优的热均匀性，且不会引起过大的压降。
除了冷板结构和设计的研究外，Wu等人[30]还开发了一个三维数值框架，用于研究分布式喷射冲击微通道中的流动、沸热传递和质量传递，使用R-1233zd（E）。系统比较了三种微通道配置：同流微通道（CCM）、逆流微通道（CFM）和逆流互联微通道（CFIM）。结果表明，CFIM设计实现了最均匀的蒸气分布和最高的热性能，相较于CCM配置，平均基温降低了22.6%，热阻降低了22.6%。Jiang 等人[31]提出了一个多场耦合模型，以研究其流动和热传递特性。相较单相液冷，已证明其显著优势。此外，通过表面粗糙处理，温度均匀性进一步提升。Hu等人[32]进行了模拟，比较振动管中R134a蒸汽的流动与静止条件下的流动。结果显示，涡流强度与振动强度呈正相关，伴随着涡流核心向入口方向移动;因此，在5毫米/15赫兹时热传导增强了7%，而在10毫米/25赫兹时则观察到17%的劣化。
尽管当前电力电池的热管理技术正从传统的经验设计向包括计算设计方法和系统性性能权衡技术在内的先进方法发展，但关于大面积冷板中电力电池沸腾热传递的研究仍然有限。本研究引入了一种基于形态优化架构阵列的创新冷却板配置，旨在重构平行线性通道，以抑制起点的蒸汽回流并提升相变均匀性。基于不同的雷诺数设计了三种不同的拓扑配置，通过对流双极性的实验评估选出了最优拓扑。随后，对集成了优化的拓扑流通道的电池热模块进行了计算流体力学（CFD）模拟。采用多目标优化算法协调优化关键冷板参数和入口条件。最后，系统地进行了实验研究，评估冷却组件在单相和双相运行模式下的水力行为和热传递特性，特别强调阐明成核沸腾启动（ONB）的变异模式。