锂离子电池组液冷式热管理系统的设计及优化_刘书琴.pdf

第 12 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.12 No.7Jul.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology锂离子电池组液冷式热管理系统的设计及优化刘书琴1，王小燕2，张振东2，段振霞2（1江苏省盐城技师学院，江苏 盐城 224000；2上海理工大学，上海 200093）摘要：为了设计一款新的锂离子电池组液冷式热管理系统，建立了锂离子电池组热管理系统试验台架以及该系统耦合电动汽车动力学的一维仿真模型。首先，以试验结果验证了仿真模型的准确性。其次，研究了系统配置参数对电池温度的影响机理；最后，以电池温度不超过32 和最低的系统功耗作为优化目标，建立多目标优化模型对系统的配置参数进行了优化。结果表明：试验与仿真结果的误差在3.0%内。较高的流量、较低的入口温度、较低的冷却液浓度会降低电池温度，而延迟冷却干预可以降低20%左右的系统功耗，采用响应面法结合MOGA-算法进行多目标优化后，在1.0 C放电倍率时，最高电池温度为30.83，并且可进一步将系统功耗降低至2750 W。这说明优化得到的系统最优配置参数方案较好地平衡了电池温度与系统功耗，试验与仿真结合的设计方法为电动汽车锂离子电池组的热管理系统设计提供了参考。关键词：锂离子电池；液冷式热管理系统；耦合电动汽车动力学；一维仿真；多目标优化doi：10.19799/ki.2095-4239.2023.0152 中图分类号：TM 911 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）07-2155-11Experimental and simulation research on liquid-cooling system of lithium-ion battery packsLIU Shuqin1,WANG Xiaoyan2,ZHANG Zhendong2,DUAN Zhenxia2(1Yancheng Technician College Jiangsu Province,Yancheng 224000,Jiangsu,China;2Univeresity of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)Abstract:This study aims to design a new liquid-cooling heat management system for lithium-ion battery packs.We have established a special experimental platform and a liquid-cooling system model coupled with an EV dynamic model to determine the optimal matching parameters for the components and the operational control strategies of the system.The results indicate that the deviation between experiment and simulation is within 3.0%under normal conditions.A higher flow rate and lower inlet temperature results in a lower battery temperature,while delaying the cooling intervention can reduce power consumption by around 20%.To further reduce the power consumption to 2750 W and maintain a battery temperature of 30.83 during normal 1.0 C discharge,we conducted a multiobjective optimization using the response surface method combined with genetic algorithm.Additionally,this optimization demonstrates a well-balanced solution between battery temperature and power consumption during the drive cycle.By combining the results of the experiment and simulation,this work provides 储能锂离子电池系统关键技术专刊收稿日期：2023-03-09；修改稿日期：2023-04-07。第一作者：刘书琴（1971），女，硕士，高级讲师，从事汽车新能源技术开发，E-mail：；通讯作者：王小燕，讲师，从事汽车技术开发，E-mail：xiaoyan_。引用本文：刘书琴,王小燕,张振东,等.锂离子电池组液冷式热管理系统的设计及优化J.储能科学与技术,2023,12(7):2155-2165.Citation：LIU Shuqin,WANG Xiaoyan,ZHANG Zhendong,et al.Experimental and simulation research on liquid-cooling system of lithium-ion battery packsJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(7):2155-2165.2023 年第 12 卷储能科学与技术valuable insights for designing an excellent liquid-cooling system for lithium-ion battery packs in electric vehicles.Keywords:lithium-ion battery;liquid-cooling system;coupled with EV dynamic model;one-dimensional numerical analysis;multi-objective optimization锂离子电池因其能量密度大、自放电率低、无记忆效应1-2等优点被广泛应用于电动汽车储能系统中。锂离子电池在充电和放电工作中会产生热量，加上电池组的封闭结构弱化了热量的传导，导致锂离子电池温度快速升高，特别是极端充放电模式下的高温。然而，温度严重影响锂离子电池的容量和使用寿命。较低的温度会导致电池3的退化，而较高的温度会触发热失控4，造成安全隐患。为了将电池的工作温度控制在050，电池热管理系统是必不可少的5。目前，电池热管理系统的冷却方式主要分为三类，即风冷、液冷、相变材料冷却6。液冷相较于风冷和相变材料冷却方式具有传热系数较高、温度分布均匀等优点，因此，液冷式热管理系统应用越来越广泛。国内外对液冷式锂离子电池组热管理系统的研究主要集中在换热组件的结构设计及布置、热管理系统的控制策略及参数优化。部分学者7-10针对液冷板的不同结构类型对其冷却性能的影响机理进行了研究，发现不同的通道形状、数量、接触面、内径等因素对削弱电池温升具有不同的影响效果，但都能积极抑制电池温度升高。在系统层面，对热管理系统的控制策略研究、参数优化已经具有较好的基础。薛超坦11研究了液冷板流量、冷却液温度、冷管宽度等冷却因素对散热效果的影响，结果表明，同一冷却液流量下电池放电倍率越大则电池组温升越大、单体间温差越大，冷却液温度越低时电池组温度下降速度越快、单体温差越大，冷管宽度越大时电池组内最高温度越低，在放电状态下电池组内前半段时间内的温差随冷管宽度增大而增大，而放电的后半段时间内温差随之减小。马彦等12针对电池组模型的非线性与时变特性，提出基于模糊PID算法的液冷策略，相比传统PID冷却策略具有更快的温度调节速度，有效减小电池组的温度不一致性，并增强系统抗电流扰动能力。此外，热管理系统多参数优化方法主要包括方差分析正交试验设计法、代理模型响应面法和训练算法神经网络法。例如E等人13通过正交试验分析了电池模块不同排列方式下的通风方案的散热特性，结果表明：电池44排列方式优于28排列方式，直线排列方式优于交错排列方式。但在给定的参数范围内，正交实验设计只能得到较好的解，而不能得到最佳解。Xie等人14提出了一种利用 响 应 面 法(response surface methodology，RSM)优化机车电池组空气通道的方法，优化后的结构使荷电状态(SOC)差降低了81.1%，健康状态提高了0.03%，电池温度保持在较低水平。相比之下，RSM可以根据适当的数据量在多个目标中搜索最优解集。这些研究为本文中的多目标优化提供了参考。但不同于传统的优化目标15的权重分配，本研究结合了响应面法和K均值聚类算法，在不同工况下寻找热管理系统的参数配置最优解。1 数值方法1.1物理模型图1为本工作所设计的锂离子电池组热管理系统的试验台架示意图，该系统将电池组冷却回路与车辆空调系统回路(以恒温浴槽来模拟)通过板式换热器进行耦合，其中，电池组冷却回路为该系统主要工作部分，由泵、液冷板、水箱、板式换热器、温度与压力传感器、流量计组成。通过电控单元实现对系统内泵转速、恒温浴槽控制，采用热电偶对电池各个测点的温度进行采集并传输至电控系统中。为了减少对流换热，电池组与液冷板被气凝胶包裹并放置于木质保温箱中，木质保温箱表面以铝箔胶带所覆盖以减少热辐射。试验台架实物和试验台主要部件参数分别如图2和表1所示。电池在工作过程中产生的总热量q(t)，其中一部分热量qb(t)用于提升自身温度，剩余部分热量qloss(t)流散至周围环境，此部分称为电池表面热通量(热损)。根据能量守恒定律：qb(t)=cmdTrise(t)/dt(1)式中，c和m分别为电池比热容J/(kg)和质量(kg)，Trise为电池的温升()，t为时间(s)。而表面热通量(热损)可表示如下：2156第 7 期刘书琴等：锂离子电池组液冷式热管理系统的设计及优化qloss(t)=Abq?(t)(2)式中，Ab为电池表面积(m2)，q?(t)为向外热流(J/s)。由上述分析可知，通过获取电池温升率dTrise(t)/dt和向外热流q?(t)，可计算得到电池的生热率：q(t)=cmdTrise(t)/dt+Abq?(t)(3)图2液冷式锂离子电池热管理系统的试验台架Fig.2The test bench of liquid-cooling system for Lithium-ion battery图1液冷式锂离子电池热管理系统的试验台架示意图Fig.1Structure diagram of liquid-cooling system for lithium-ion battery21572023 年第 12 卷储能科学与技术电池的温度和表面热通量(热损)等数据可用“校准量热法”16进行测得：在每个单体电池上分别布置了12个K型热电偶，对每个单体电池的各个位置的温度进行测量，其中TC1和TC7分别安装在负和正极处，TC2TC6均匀安装在单体电池的上表面中心线，TC8TC12均匀安装在单体电池的下表面中心线，如图3所示。在试验台架测试电池温度的主要步骤如下：开启系统，通过恒温浴槽将电池冷却回路中冷却液温度调节至所需的进口温度；待冷却液温度稳定一段时间后，通过充放电仪以所需倍率对电池组进行充放电；通过热电偶对各个测点的温度进行测量并采集至上位机中，再对这些测点的温度求平均值，得到电池平均温度。值得一提的是本文中涉及的试验得到的电池温度皆指以此方法测得的电池平均温度，以