基于NSGA-II和熵权重-TOPSIS方法，设计与优化用于电力NEC锂电池热管理的热管辅助液冷结构

电池热管理系统（BTMS）的热管理性能对于锂离子电池（LIB）的运行效率和寿命至关重要。电池组内部温度过高或温差过大会显著影响性能和寿命。为解决底部安装单片液冷板导致的过大温差问题，本研究提出了结合热管与液冷板的混合冷却结构。通过数值模拟，分析了冷却剂体积浓度和质量流量对BTMS冷却性能的影响。结果表明，与传统单液冷板相比，热管-液体冷却BTMS在冷却性能上具有显著优势。为进一步提升BTMS冷却效率，进行了单因子分析，探讨流道宽度（A）、流道深度（B）、液冷板壁厚（C）和转弯区角半径（D）对电池组冷却性能的影响。随后，进行了正交实验，以确定对液冷板冷却性能影响最大的三个结构因素，并选定它们作为优化设计变量。在设计变量与目标函数（电池组最高温度和流道压降）之间建立了克里金代理模型，并采用NSGA-II遗传算法优化液冷板的结构因素。为消除选择最优解时可能存在的主观偏见，引入了熵权重-TOPSIS方法作为选择过程。模拟结果表明，与初始BTMS相比，优化后的BTMS分别将电池组的最大温差、温差和流道压降降低了2.29%、6.02%和79.62%。优化后的BTMS显著提升了电池组的运行性能，同时在低功耗下实现了卓越的冷却效果。本研究结果为热管液相混合冷却结构的设计和优化提供了宝贵的理论和实践见解。
传统汽油车排放对人类生活环境和全球能源安全构成重大挑战[1]。近年来，随着碳中和目标的引入，汽车制造商将重点从传统汽油车转向电动汽车及其他替代技术[2]。锂离子电池（LIB）以其高能量密度和长周期寿命著称，已成为电动汽车最有前景的动力来源[3,4]。然而，为了实现与传统汽油车相当的续航，电动汽车通常采用由数千个电池单元组成的电池组[5]。这些电池高度集成且分布在封闭空间内，运行过程中会产生大量热量。锂离子电池的性能和寿命受到工作温度的显著影响。研究表明，过高温度会显著降低电池容量[6];在极端条件下，积累的热量甚至可能引发气体膨胀，引发爆炸等安全问题[7]。根据相关研究，锂电池在25°C至40°C的温度范围内保持最佳寿命和性能平衡[8]。此外，电池单元间温差不应超过5°C，因为温差过大会不利于电池组的整体性能和寿命[9]。因此，为了确保电动汽车的安全可靠运行，建立一个耐用高效的电池热管理系统（BTMS）至关重要。
根据冷却介质，电池冷却机制可分为空气冷却[10,11]、液冷[12,13]、热管冷却[14,15]、相变材料（PCM）冷却[16,17]以及多种冷却方法的组合[18]。其中，风冷是最简单的方法，风扇等设备将空气引入电池组，有效散热。目前，许多研究人员致力于通过改变气流模式来提升BTMS的冷却性能[19]。Yang等人[20]通过改变传统Z型BTMS的进气角度，开发了多种新的BTMS设计，从而产生不同的气流模式。Chen 等人[21]设计了具有不同进出口位置的BTMS。采用数值方法评估BTMS的冷却性能，发现将进出口置于静压室中心的对称BTMS显示出冷却效率更高。此外，一些研究[[22]、[23]、[24]]还考虑了电池布置、间距和气流速度的影响。然而，由于空气热传递系数较低，空气冷却并不适用于当今盛行的高速率增放电环境[25]。因此，高效的液冷方法引起了研究人员的高度关注。液冷分为直接冷却和间接冷却。直接冷却是指将电池浸入非导电液体中，从而与电池建立直接接触[26]。直接冷却表现出良好的冷却性能;然而，直接接触电池表面及液体高粘度要求使用低泄漏密封和高功率泵，极大限制了其实际应用[27]。相比之下，使用液冷板的间接液冷目前是最广泛使用的水冷方法[28]。近年来，研究人员对液冷板的布局[29]和冷却通道的设计进行了广泛研究[30]。Li 等人[31]比较了单通道、微通道和蛇形通道布局对BTMS性能的影响，并评估了这三种液冷板的性能。结果显示，在电池组两侧布置两块液冷板能获得最佳的冷却效果。Monika 等人[32]研究了蛇形、U型、直线、南瓜型、螺旋和六边形液冷板在恒定通道容积下的性能，采用系统压降和温度均匀性作为性能指标。研究显示，蛇形和六角形液冷板显著改善了温度均匀性，而南瓜型板则表现出更低的系统功耗。然而，液冷系统结构通常复杂且相对较重，这对车辆经济性构成挑战。PCM基于固液相变原理，有效吸收电池产生的热量，并结合其他冷却方法进行散热，从而显著促进电池温度均匀性[33]。关于电池模块热平衡的文献表明PCM冷却系统优于液冷方法[34,35]。尽管有些研究表明，PCM冷却系统在温度均匀性[36]，PCM仍面临体积变化和低热导率等挑战[37]。近年来，热管技术因其高热导率、紧凑结构、灵活性、长寿命和低维护成本而受到广泛关注[38]。热管冷却系统通过利用热管的相变热传递原理，有效管理电池产生的热量[15]。当电池加热时，热管的蒸发器端吸收热量，使工作流体蒸发并将热量传递到冷凝器端，在那里通过外部冷却系统释放热量并散发。冷凝液体随后通过毛细作用返回蒸发器端，完成加热循环。热管冷却通常与水冷或风冷结合使用，以管理冷凝部分[39]。由于热管结构的灵活性，可以与其他冷却方法进行多种组合。Wu等人[40]研究了自然对流、强制对流和管状热管冷却方法的影响。他们发现热管冷却在控制温度上升方面表现最佳。Feng等人[41]通过实验监测圆柱形锂离子电池组的热量和应变，并利用新设计的热管和散热鳍片系统进行管理。他们发现，热管和散热片系统与风扇结合时，有效控制了整个电池组的温度，满足运行温度要求且能耗低。Gan等人[42]提出了一种基于热管的圆柱形电池模块热管理系统，其中热管冷凝器部分也插入液冷通道。作者发现，在5摄氏度放电速率下，电池模块的温度相较于自然冷却可降低约14°C。Abbas等人[43]比较了独立热管/PCM/冷却剂混合系统与附加热管/PCM/冷却剂混合系统的冷却性能。Jang 等人[44]比较了不同热管形状与液冷系统结合时的冷却性能。Li等人[36]提出了一种带有热管的液冷板系统，以磷酸铁锂电池为研究对象。实验显示，热管耦合液冷系统相比单一液冷系统在冷却性能上表现更好，并通过正交实验设计进一步优化了系统的散热性能。
目前，热管与其他冷却技术的结合应用在BTMS中展现出显著优势，有效提升了散热性能并保持电池组温度均匀。然而，关于进一步优化液冷板和热管联结冷却系统，尤其是在密闭空间内的研究仍然有限。现有文献主要关注单个冷却技术的应用，尚未深入探讨液冷板与热管结合的协同效应及其在电池组散热中的潜力。因此，解决因单片液冷板置于电池组底部而产生的过大温差，以及在密闭空间内实现更好的热平衡，仍然是当前电池热管理技术中的关键空白。为填补这一研究空白，本文提出了一种创新的平面热管辅助液冷BTMS，旨在取代传统的多板液冷解决方案。结合液冷板和热管的优势，该方案能在有限空间内更有效地实现散热和温度平衡，从而优化电动汽车的运行效率。通过比较单一液冷系统与热管-液冷耦合系统的冷却性能，本研究发现混合冷却方案显著提升了散热效果。为进一步提升该混合冷却系统的性能，研究利用范围分析研究不同结构因素对冷却性能的影响，选定重要结构因素和性能指标作为变量和目标函数进行优化。在优化过程中，建立了克里金替代模型，将设计变量与目标函数联系起来，并采用了NSGA-II遗传算法优化液冷板的结构参数。最后，利用熵权重-TOPSIS方法确定了最优帕累托解。该优化方法为电池热管理系统，特别是在电动汽车应用中，提供了有效的改进方法，显著提升了热管理系统的效率和稳定性，确保电池组的安全性和长期运行。
该研究的创新主要体现在以下三个方面：首先，提出了基于距离分析的结构参数敏感度量化方法，系统地识别影响冷却性能的关键结构因素。其次，建立一个考虑多目标优化的克里金替代模型，并使用NSGA-II遗传算法实现系统参数的协同优化。最后，熵权重-TOPSIS方法被创新地应用于帕累托最优解的选择，为热管理系统优化提供了新的方法论框架。