1、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
2、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）04-145-0
3、8Optimization 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
4、 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
5、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 m
6、b 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 ishe
7、d 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
8、 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
9、 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 s
10、wa 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
11、）,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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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