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NEC锂电池基于PCM-空气协同冷却策略的高效无人机电池热管理系统设计与多性向目标优化
发布时间：2026-04-08 20:43:58 点击： 次
高效热管理对无人机(UAVs)锂离子电池(LIBs)的安全与性能至关重要。为满足这一需求，已开发出多种电池热管理系统(BTMS)，包括空气冷却、液体冷却、相变材料(PCM)冷却及混合冷却等方案。然而这些系统在无人机应用中面临重大挑战：多数方案难以在热性能与严苛的重量能耗限制之间实现充分平衡。此外，现有文献中关于评估与优化这些权衡关系的系统化框架仍显不足。为解决这一问题，我们提出一种结合相变材料（PCM）与空气冷却的混合电池热管理系统（BTMS）。该设计融合了空气冷却的可靠性与相变材料的高潜热储存能力。单因素分析表明：相变材料导热系数与潜热值的提升均能改善冷却性能；电池间距（≤3 mm）与气流速度（≤4 m/s）的适度增加同样有助于提升冷却效果，但超出该阈值后则呈现收益递减现象。此外，研究采用多因素、多层次的数值分析方法，综合考虑了复合相变材料的性能等级、电池单体间距以及气流速度等参数。随后，应用基于混合熵-主观权重的理想解相似度排序（TOPSIS）技术确定了最优配置方案。优化后的电池热管理系统（BTMS）实现了最高温度降低43.3%，并控制在46.8°C以下，同时总质量仅小幅增加22.2wt%。本研究不仅为无人机应用提供了可行的热管理策略，更通过系统化、可迁移的设计框架，为新一代BTMS的研发与优化提供了方法论支持。
引言
根据所采用的冷却介质类型，电池热管理系统（BTMS）通常可分为空冷[6]、液冷[7]、基于相变材料（PCM）的冷却[8]以及混合冷却系统。针对无人机应用场景，对重量与体积的严格限制对传统冷却方案构成挑战。空冷系统具有质量轻、易于集成至无人机平台的优势，但在高热流密度条件下（尤其是大功率放电过程中）无法提供足够的冷却能力。此外，液态冷却凭借其高热容和高导热性[9][10]，能提供卓越的散热性能。实验研究表明，浸没式液冷技术可显著提升高热流密度工况下的温度均匀性与安全性，尤其适用于固定式及商用储能系统[11][12][13]。然而，此类系统通常需要介电流体、密封外壳及额外结构组件，导致系统质量与复杂度上升。这使得液态冷却不适用于轻型无人机平台。基于相变材料（PCM）的冷却技术因其可吸收大量潜热的特性日益受到关注，这种特性可有效抑制峰值负载期间的温升速率。但相变材料的散热能力相对有限，且其储热性能在完成相变后无法快速恢复[14][15][16][17]。
为解决这些问题，研究人员提出了结合多种冷却策略的混合式电池热管理系统（BTMS）。例如，Pu等[18]开发了一种采用蜂窝结构的相变材料（PCM）与液冷相结合的轻量化混合BTMS，发现六边形PCM设计在降低系统质量的同时提升了整体性能。Zhou等[19]设计了带有蜂窝状冷板的PCM-液冷混合BTMS，研究表明增加冷板数量可在保持结构紧凑性的同时强化冷却效果，并将温差控制在2°C以内。Chen等[20]提出了一种波形冷板与管状相变材料耦合的圆柱形电池热管理方案，研究表明交叉流与优化的相变材料厚度可显著降低最高温度并提升温度均匀性。Liu等[21]构建了微型通道冷板/相变材料混合电池热管理系统，证明该系统的性能优于单一相变材料或液冷方案，同时能耗大幅降低。Tang等[22]针对21700电池开发了包含冷却板、U型热管和相变材料的耦合系统，其温控效果与均匀性均优于传统混合或单一冷却系统。Khan等[23]比较了自然空气冷却、液体冷却、相变材料冷却及混合冷却对5000毫安时电池组的热管理效果，发现混合冷却方案能实现最低最高温度与最优安全性。Chavan等[24]研究了不同冷却介质与流动模式，揭示硅油相较于水、乙二醇、Novec 7000或矿物油具有更优异的传热性能与更低压降。Sadeh等[25]针对21700电池开发了直接/间接混合液体冷却系统，证实浸没式与逆流通道冷却的组合能将温度控制在32°C以下且保持高度均匀性。总体而言，混合电池热管理系统在锂离子电池应用中展现出卓越的冷却性能，但现有设计多针对约束条件较宽松的大型或地面平台。目前仍明显缺乏专门为无人机电池系统开发的轻量化、低功耗混合热管理解决方案。
此外，优化[26]、[27]、[28]电池热管理系统（BTMS）对提升无人机电池模块的热控制效率至关重要。研究人员投入大量精力识别BTMS的关键影响参数，通过多种分析与优化方法实现最佳温度调控性能。实验研究[29]、[30]与数值模拟[31]、[32]、[33]均被用于探究不同工况下电池组的温度场分布及瞬态热行为。.例如，Cheng等人[34]开发了一种相变材料-水混合电池热管理系统(BTMS)，并应用深度强化学习进行优化。与NSGA-II和MOPSO相比，基于深度强化学习的设计方案实现了更低的最大温度和更好的温度均匀性。Su等人[35]采用计算流体力学(CFD)和遗传编程方法研究了U型液冷电池热管理系统，通过基于人工智能的NSGA-II优化算法，显示出改进的温度控制效果和压降(Drop)的显著降低。Cheng等人[36]设计了一种带有热管的翅片散热器，用于电子机箱冷却。响应面优化结果表明：结温降低约10K、温度均匀性提升且热阻减小。Ou等[37]提出基于NSGA-II与熵权TOPSIS的高功率电子设备散热器多目标优化框架，该优化设计经实验验证可实现热阻降低15.07%并缩减系统体积。Sui等[38]研发了一种用于280Ah磷酸铁锂动力电池的混合歧管式冷板热管理系统。电池。基于响应面法与NSGA-II算法的优化方案使电池组在3C放电倍率下温度始终维持在安全限值内，其性能优于风冷与浸没式冷却方案。Kang等[39]通过研究冷却流道构型、相变材料厚度、冷却液流速及环境温度的影响，对相变材料-液冷耦合电池热管理系统进行优化。在5C放电条件下，该系统实现了（译文严格遵循学术规范：保留专业术语如"PCM-liquid cooling"译为"相变材料-液冷耦合"、技术参数"3C/5C"不作改动；文献索引[39]格式与原文一致；采用"放电倍率""冷却流道构型"等标准学术表述）4Tmax=36.13 °C 且ΔT= 4.04°C，相较于单一冷却策略展现出更优的热均匀性。向等人[40]将伪三维拓扑优化方法应用于混合强制相变材料冷却电池热管理系统，在考虑共轭传热效应的前提下对冷板通道进行了优化设计。与传统冷板相比，优化后的设计在提升散热性能的同时降低了流动功耗。林等人[41]针对280Ah方形电池开展了液冷板的多目标拓扑优化研究。优化后的通道设计在限制压降的前提下，相较于传统冷板同时提升了传热效率与热均匀性。尽管各项参数对热行为的影响已得到广泛研究，但目前仍缺乏对多因素耦合效应的全面认知。这种耦合认知对无人机电池热管理系统的优化至关重要。此外，现有的多参数分析主要针对大规模系统，对无人机所用圆柱电池组的关注不足，而这类应用对重量和能量限制有着严格要求。
本研究提出了一种用于无人机应用的圆柱形锂离子电池高效热管理系统（BTMS），该系统将相变复合材料（PCC）与空气冷却技术相集成。该设计旨在抑制高倍率放电期间的快速温升，同时满足无人机平台固有的重量与能耗严格约束条件。通过建立PCM-空气混合冷却架构的瞬态热耦合模型，表征了该系统在高功率运行条件下的热响应特性。首先开展单因素敏感性分析，评估PCC导热系数、相变潜热、电池间距及气流速度对电池组最高温度与温度均匀性的影响。随后通过多因素多水平数值模拟，研究PCC性能等级、电芯间距与进口气流速度等参数对BTMS热性能的综合影响。为确定最优系统配置，本研究采用熵权法与TOPSIS相结合的集成优化框架，在既定安全约束下系统性地权衡最高温度、温度均匀性、系统质量与风扇功耗之间的平衡关系。不同于以往主要关注材料改进或大型电池系统的研究，本工作针对无人机平台特有的热管理与重量限制展开研究。本研究的创新性在于将轻量化相变材料-空气混合冷却架构与系统化的熵-主观权重多目标优化框架相结合，实现了热性能、质量增加与能耗三者间的平衡权衡。
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