基于NSGA-Ⅱ的锂离子电池液冷板的优化设计_张甫仁.pdf

第 卷第 期重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）：基于 的锂离子电池液冷板的优化设计张甫仁，肖 康，鲁 福，朱臆霖，苟 欢（重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆）摘要:为了研究纯电动汽车锂离子电池的液体冷却方式,提出了一种仿生叶状通道的热管理系统(B TM S)来研究锂离子电池的冷却性能。以通道角度、通道宽度、质量流量为设计变量,综合考虑液冷板的目标函数(平均温度、温度标准差、压力损失)之间的比重,得到液冷板结构参数及质量流量的最优参数;通过搭建单体电池实验平台,得到单体电池在不同放电倍率下的单位体积产热量;采用拉丁超立方抽样(LH S)在设计空间中选取4 0个样本点;通过克里金(K r i g i n g)代替模型建立设计变量与目标函数之间的关系;利用N S G A-算法对K r i g i n g模型进行优化寻优;利用C F D验证优化结果的准确度。研究结果表明:优化设计结果能将液冷板平均温度下降1.4 2K(3.8 8%),温度标准差下降0.3 5K(1 5.2 9%),压力损失下降7.4 9P a(8.7 8%)。关 键 词:车辆工程;热管理系统;拉丁超立方抽样;目标函数;克里金模型中图分类号:U 4 6 4.9+3;TM 9 1 2文献标志码:A文章编号:1 6 7 4-0 6 9 6(2 0 2 3)0 1-1 4 5-0 6O p t i m a lD e s i g no fL i q u i dC o o l i n gP l a t e f o rL i t h i u m-i o nB a t t e r yB a s e do nN S G A-Z HANGF u r e n,X I AOK a n g,L UF u,Z HU Y i l i n,GOU H u a n(S c h o o l o fM e c h a t r o n i c s&V e h i c l eE n g i n e e r i n g,C h o n g q i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g4 0 0 0 7 4,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d yal i q u i dc o o l i n gm e t h o df o r l i t h i u m-i o nb a t t e r i e s i np u r ee l e c t r i cv e h i c l e s,ab i o n i cl e a f-s h a p e dc h a n n e l t h e r m a lm a n a g e m e n t s y s t e m(B TM S)w a sp r o p o s e dt os t u d yt h ec o o l i n gp e r f o r m a n c eo f l i t h i u m-i o nb a t t e r i e s.T a k i n gt h ec h a n n e la n g l e,c h a n n e lw i d t h,a n dm a s sf l o wa sd e s i g nv a r i a b l e s,t h ep r o p o r t i o na m o n gt h eo b j e c t i v e f u n c t i o n so f l i q u i dc o o l i n gp l a t e(a v e r a g e t e m p e r a t u r e,t e m p e r a t u r es t a n d a r dd e v i a t i o n,p r e s s u r e l o s s)w a sc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e d,a n dt h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r so f t h e l i q u i dc o o l i n gp l a t ea n dt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so ft h em a s s f l o ww e r eo b t a i n e d.F i r s t l y,b ys e t t i n gu pas i n g l eb a t t e r ye x p e r i m e n t a lp l a t f o r m,t h eh e a tp r o d u c t i o np e ru n i tv o l u m eo ft h es i n g l eb a t t e r yu n d e rd i f f e r e n td i s c h a r g er a t e sw a so b t a i n e d.T h e nL a t i nh y p e r c u b es a m p l i n g(LH S)w a su s e dt os e l e c t4 0s a m p l ep o i n t si nt h ed e s i g ns p a c e.T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e s i g nv a r i a b l e sa n do b j e c t i v e f u n c t i o n sw a se s t a b l i s h e db yr e p l a c i n gt h em o d e lw i t hK r i g i n g.F i n a l l y,t h eN S G A-a l g o r i t h m w a su s e dt oo p t i m i z e t h eK r i g i n gm o d e l,a n dC F Dw a su s e d t ov e r i f y t h e a c c u r a c yo f o p t i m i z a t i o nr e s u l t s.T h e r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t t h eo p t i m i z e dd e s i g nr e s u l t sc a nr e d u c et h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h el i q u i dc o o l i n gp l a t eb y1.4 2 K(3.8 8%),t h e t e m p e r a t u r es t a n d a r dd e v i a t i o nb y0.3 5K(1 5.2 9%),a n d t h ep r e s s u r e l o s sb y7.4 9P a(8.7 8%).K e yw o r d s:v e h i c l ee n g i n e e r i n g;t h e r m a lm a n a g e m e n t s y s t e m;LH S;o b j e c t i v e f u n c t i o n;K r i g i n gm o d e l 引 言以锂离子电池为动力的纯电动汽车相比于其他类型电池，在能量和使用寿命方面都具有显著优势，也受到了越来越多的关注。但锂离子电池的热安全性等问题给纯电动汽车进一步商业化带来了很大的障碍。锂离子电池最佳工作温度范围为，电池间温差应小于；若出现热蔓延的情况，将会导致电池组出现热失控现象。因此对于要进行快速充、放电的锂电池而言，高效的 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；重庆市教委科技创新项目（）第一作者：张甫仁（），男，四川南充人，教授，博士，主要从事新能源汽车电池方面的研究。：通信作者：肖 康（），男，河南周口人，硕士研究生，主要从事新能源汽车电池方面的研究。：热管理系统（）显得尤为重要。根据不同的冷却介质，主要包括空气冷却、相变材料（）、液体冷却、热管冷却及将以上方式组合的方式。液体冷却比空气冷却更有优势，因为液体比空气具有更高的导热系数。液体冷却主要是通过与电池直接接触的液冷板来完成散热，流道结构对液冷散热性能影响较大，为此相关学者在液冷板优化方面进行了大量研究。液冷板性能的影响因素主要包括液冷板通道数量、宽度、通道形式（矩形、圆形等）和冷却液进出口温度等。等在蛇形波纹扁管基础上，提出了采用两种方法来增加电池组的热均匀问题，通过增加圆弧夹角来增加与电池的传热面积，另一方面采用多条蛇形通道来改变液体的进出口。液冷板采用不同流动方向也会对电池温度场产生影响。等基于双进双出式液冷板，从冷却液进出口方向、流量、通道宽度这 个方面对电池温升进行分析，结果表明：通道宽度及流动方向会对电池功耗和电池温度场产生很大影响。尽管锂离子电池不同形式冷却系统的热特性都可使电池在正常温度范围内工作，但对温度不均匀性仍要充分考虑；此外还应综合考虑电池热管理系统的冷却效果和成本，这涉及到多目标问题。基于此，笔者采用多目标优化寻优方式，针对枫叶状的液冷板设计出一种新型的仿生流道，以液冷板的平均温度、表面温度标准差、进出口表面压降 为目标函数，利用 对液冷板结构参数（通道角度、宽度）和冷却液质量流量等进行了多目标优化设计。模型介绍 单体电池实验笔者以方形磷酸铁锂电池为测试对象，分析了电池在 下的温升情况。将 个 温度传感器固定在电池表面不同位置，使用海绵包裹的方式使电池处于绝热状态，再将电池置于温度为 的恒温箱中，通过温度采集仪采集到电池在不同放电倍率（、）下表面 个位置的温度值。实验平台如图，电池相关参数见表。根据实验结果和文献中电池热量的计算方式，最终得出电池在不同放电倍率的发热参数，如表。图 单体电池实验平台 表 电池基本参数 参数取值参数取值规格 放电截至电压 额定电压 充电上限电压 重量 持续放电电流 尺寸 瞬间放电电流 内阻 表 单体电池不同倍率发热量 放电倍率 单位体积产生热量（）热通量（）液冷板模型液冷板结构如图。为更好地使液冷板和电池吻合，液冷板长、宽、高分别为 ，冷却液通道共有 个口，初始情况采用两进两出的形式，所有通道宽度相同，其中通道高度 ，宽度 ，夹角，。液冷板为铝制材料，冷却液为水，具体参数如表。液冷板与电池贴合，电池所产生的热量传递到液冷板上，液体再通过对流换热形式将热量带走，以此实现了电池散热的目的。图 液冷板结构 重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷表 铝和水的性质 参数材料铝水比热容 （）导热系数 （）动力黏度 （）密度 （）数值模拟 边界条件冷却液入口设置为质量流量入口，入口温度为；出口为压力出口，出口压力为 ，初始流量为 ；考虑到液冷板与空气热交换，将冷板与空气接触面设为自然对流换热方式，系数为 （）。电池在 放电倍率下的热量为 ，转化为液冷板加热面的热通量为 ，并采用商用 软件进行模拟。为便于计算，笔者做出如下假设：液冷板均匀及各项同性；流体为单相、稳态、不可压缩；流体和固体的热物性与温度无关；忽略重力和接触热阻；忽略黏度耗散影响。控制方程质量方程：（）（）动量方程：（）（）流体域的能量方程：（）固体域的能量方程：（）式中：为冷却液密度；为冷却液速度；为冷却液动力黏度；为冷却液的压力；为冷却液比热容；为冷却液导热系数。表明了电池的温度分布，若 越小，电池的温度分布越均匀。的定义如式（）、式（）：（）（）（）式中：为液冷板加热面的面积。网格独立性分析为确保仿真结果可信度，笔者使用商用 软件进行网格划分，网格类型为结构型网格。笔者将网格数分别设置为 、