锂电池复合热管理系统的散热性能优化设计.pdf

第42卷第4期2023年4月Vol.42 No.4Apr.2023重庆交通大学学报(自然科学版)JOURNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)DOI：10.3969/j.issn.1674-0696.2023.04.19锂电池复合热管理系统的散热性能优化设计张甫仁，苟欢,梁贝贝，何延晓，朱臆霖（重庆交通大学,机电与车辆工程学院，重庆400074）摘要:针对锂电池组散热问题，提出了一种将分岔液冷通道与复合相变材料相结合的复合液冷系统，并对其散热性 能进行了数值研究o首先,通过单体电池充放电实验,得到电池的产热量;其次,建立三维电池组模型，以冷却通道 各级数量和复合相变材料的厚度为设计变量，采用最优拉丁方方法构建44个试验样本点;然后，基于响应面法建立 近似模型,并采用了多目标粒子群算法,进行优化设计;最后，讨论冷却液质量流量的影响。结果表明：当分岔液冷 通道各级数量为5、5、7,复合相变材料厚度为5.659 9 mm时，可获得更好的冷却性能，其最高温度、最大温差和压 降分别减少了 3.40%,35.36%和 46.50%。关键词:车辆工程;电池热管理;液体冷却;相变冷却;复合相变材料;多目标粒子群优化算法中图分类号:U464.9+3；TM912 文献标志码:A 文章编号：1674-0696（2023）04-145-08Optimization Design of Heat Dissipation Performance of Lithium Battery Composite Thermal Management SystemZHANG Fu r en,GOU Hu a n,LIANG Beib ei,HE Ya nx ia o,ZHU Yil in(Sc hool of Mec ha t r onic s&Vehic l e engineer ing,Chongqing Jia ot ong Univer sit y,Chongqing 400074,China)Ab st r a c t：Aiming a t t he pr ob l em of hea t d issipa t ion in l it hiu m b a t t er y pa c k,a hy b r id l iqu id c ool ing sy st em c omb ined wit h t he b ifu r c a t ion l iqu id c ool ing c ha nnel wit h t he c omposit e pha se c ha nge ma t er ia l wa s pr oposed a nd it s hea t d issipa t ion per for ma nc e wa s st u d ied nu mer ic a l l y.Fir st l y,t he hea t pr od u c t ion of t he b a t t er y wa s ob t a ined t hr ou gh t he c ha r ge a nd d isc ha r ge ex per iment of t he singl e b a t t er y.Sec ond l y,a t hr ee-d imensiona l b a t t er y pa c k mod el wa s est a b l ished.Ta king t he nu mb er of c ool ing c ha nnel s a t a l l l evel s a nd t he t hic kness of c omposit e pha se c ha nge ma t er ia l s a s d esign va r ia b l es,t he opt ima l La t in squ a r e met hod wa s u sed t o c onst r u c t 44 t est sa mpl e point s.Thir d l y,t he a ppr ox ima t e mod el wa s est a b l ished b a sed on t he r esponse su r fa c e met hod?a nd t he mu l t i-ob jec t ive pa r t ic l e swa r m opt imiza t ion a l gor it hm wa s u sed for opt imiza t ion d esign.Fina l l y,t he effec t of c ool a nt ma ss fl ow r a t e wa s a l so d isc u ssed.The r esu l t s show t ha t when t he nu mb er o st a ges in t he b ifu r c a t ed l iqu id c ool ing c ha nnel a nd t he t hic kness of c omposit e pha se c ha nge ma t er ia l s a r e 5,5,7 a nd 5.659 9 mm r espec t ivel y,b et t er c ool ing per for ma nc e c a n b e ob t a ined,a nd t he ma x imu m t emper a t u r e,ma x imu m t emper a t u r e d iffer enc e a nd pr essu r e d r op a r e r ed u c ed b y 3.4%,35.36%a nd 46.50%,r espec t ivel y.Key wor d s:vehic l e engineer ing;b a t t er y t her ma l ma na gement;l iqu id c ool ing;pha se c ha nge c ool ing;c omposit e pha se c ha nge ma t er ia l;mu l t i-ob jec t ive pa r t ic l e swa r m opt imiza t ion a l gor it hm0引言锂电池因能量密度高、理论容量大、寿命长等优点成为了纯电动汽车和混合动力汽车电能的主要储 能方式。锂电池性能依赖于电池温度，研究表 明，锂电池适宜的工作温度通常为20-45紀，局 收稿日期:2021-12-17；修订日期:2022-11-01基金项目：国家自然科学基金项目（52005066）；重庆市教委科技创新项目（KJCX2020032）第一作者:张甫仁（1975）,男，四川南充人，教授，博士，主要从事新能源汽车电池热管理方向的研究。E-ma il：zh_feix u e 163.c om 通信作者:苟 欢（1997）,女，四川巴中人，硕士研究生，主要从事电池热管理方向的研究。E-ma il：ha ppy d ogl 211163.c om146重庆交通大学学报(自然科学版)第42卷部的温度积聚也会造成电池组的整体性能下降。因此，开发一种高效的电池热管理系统(b a t t er y t her ma l ma na gement sy st em,BTMS)尤为重要。近年来,BTMS的冷却介质主要为空气2-6、相 变材料、液体。通过对比分析不同冷却策略可 知，空气冷却方式因其结构简单、成本低、重量轻 等优势而被广泛应用。由于空气比热容和传热效率 低，在恶劣环境条件下,大型电池组散热的应用仍存 在一定局限性。虽然液体冷却策略的散热效果优于 空气，但其车辆续航能力相对较差。相变冷却是通 过相变材料的物理相变吸收电池的热量，即使基于 相变的冷却策略不需要提供额外的能量，一旦相变 材料完全液化，冷却系统的整体散热性能会骤然下 降甚至失效,使其在高倍率充放电或高温环境下应 用受到了一定限制。每种冷却方式都有优点和局限性。因此，为满 足高温环境和高强度工况下电池的散热需求，学者 们尝试通过结合液体冷却和相变冷却策略的优势来 提升系统的性能何。由于石蜡具有性价比高、化学 性能稳定、循环良好等优点，成为了复合冷却系统最 常用的相变材料。但其导热率低，很难实现高效的 热量传递，通常需要添加碳纳米粉或膨胀石墨等多 孔材料来改善其导热性。因此，为改善散热系统 的性能，复合相变材料得到了学者们的广泛关注。例如，LIU Ziqia n等构建了基于复合相变材料(c omposit e pha se c ha nge ma t er ia l,CP CM)和液冷的 散热模块，发现相较于基于纯CP CM散热，复合系统 更适合循环充电和放电的电池组。以上复合系统研究多集中传统平行液冷通道与 相变冷却耦合，相较于分岔通道,传统的平行冷却通 道的流动阻力、温度梯度和压力损失均较大。因此,笔者提出了一种新型的分岔冷却通道与复合相变材 料耦合的冷却系统。由于当前文献研究的优化方法 主要采用单目标逐级优化，忽略了优化因素交互作 用对冷却性能的影响。因此,基于多目标粒子群优 化算法,建立了三维电池散热模型,对冷却通道的结 构(分别为第一、二、三分形通道数量)和复合相变 材料的厚度进行了多目标优化设计，并讨论了不同 入口的质量流量工况复合冷却系统的散热性能。1实验1.1实验设置以矩形磷酸铁锂电池为研究对象，其尺寸为长 65 mm、宽140 mm、厚18 mm,在25 C的环境温度和 不同充放电倍率(0.5C、1.0C、l.5C、2.0C、2.5C)条 件下,对单体电池的温度变化进行了测试，实验平台 如图1(a),电池温度5个测量点的位置如图1(b)。为确保蓄电池绝缘，用绝缘棉包裹蓄电池。(a)测试系统(b)测量位置图图1实验平台实验平台Fig.1 Experimental platform1.2电池温升特性图2为不同放电倍率下电池的温升曲线，不难 发现，电池温升速度随着放电倍率的提高而增大。利用相关计算关系式和电池的温升实验数据,计算 了单体电池在不同放电倍率的产热量，如表1。52 ri/40-/1.5Ci/0 1000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000时间/s图图2不同放电倍率下电池温升曲线不同放电倍率下电池温升曲线Fig.2 Battery tenerature rise curve under different discharge rates表表1电池在不同放电倍率下的产热参数电池在不同放电倍率下的产热参数Table 1 Heat production parameters of battery atdifferent discharge rates放电倍率单位体积产 热*/(W/m3)放电倍率单位体积产 热*/(W/m3)1C15 9354C129 6702C42 8585C189 5603C80 7691.3数值验证基于简化的单体电池散热模型,进行数值验证,第4期张甫仁，等:锂电池复合热管理系统的散热性能优化设计147实验与仿真结果的对比如图3。由图3可知,实验结 果与模拟结果的偏差在5 P以内,验证了 CFD模型 的可靠性。50拟验拟验拟验 模实模实模实 c c c c c Cc c c c c C.O.O.5.5.O.O.O.O.5.5.O.O 1 1 1 1 1 1 1 1 z Zz Z 三三o o 5 54 34 33030252545454 4图图3仿真模拟与实验温度对比仿真模拟与实验温度对比Fig.3 Temperature comparison between simulation and experiment2模型建立