锂电池复合热管理系统的散热性能优化设计.pdf

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 Furen,GOU Huan,LIANG Beibei,HE Yanxiao,ZHU Yilin(School of Mechatronics&Vehicle engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)Abstract：Aiming at the problem of heat dis

4、sipation in lithium battery pack,a hybrid liquid cooling system combined with the bifurcation liquid cooling channel with the composite phase change material was proposed and its heat dissipation performance was studied numerically.Firstly,the heat production of the battery was obtained through the

5、charge and discharge experiment of the single battery.Secondly,a three-dimensional battery pack model was established.Taking the number of cooling channels at all levels and the thickness of composite phase change materials as design variables,the optimal Latin square method was used to construct 44

6、 test sample points.Thirdly,the approximate model was established based on the response surface method?and the multi-objective particle swarm optimization algorithm was used for optimization design.Finally,the effect of coolant mass flow rate was also discussed.The results show that when the number

7、o stages in the bifurcated liquid cooling channel and the thickness of composite phase change materials are 5,5,7 and 5.659 9 mm respectively,better cooling performance can be obtained,and the maximum temperature,maximum temperature difference and pressure drop are reduced by 3.4%,35.36%and 46.50%,r

8、espectively.Key words:vehicle engineering;battery thermal management;liquid cooling;phase change cooling;composite phase change material;multi-objective particle swarm optimization algorithm0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

9、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-mail：zh_feixue 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-mail：146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(battery thermal management system,BTMS)尤为重要。近年来,BTMS的冷却介质主要

10、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

11、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 Ziqian 等构建了基于复合相变材料(composite phase change material,CPCM)和液冷的 散热模块，发现相较于基于纯CPCM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

12、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

13、.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1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2不同放电倍率下电池温升曲线

14、Fig.2 Battery tenerature rise curve under different discharge rates表1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/m 3)放电倍率单位体积产 热*/(W/m 3)1C 15 935 4C 129 6702C 42 858 5C 189 5603C 80 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

15、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 C.O.O.5.5.O.O 1 1 1 1 z Z 三 三 o 54 33025454图3仿真模拟与实验温度对比Fig.3 Temperature comparison between simulation and experiment2模型建立复合冷却系统是由电池、复合相变材料和分岔冷 却通道组成如图4(a)，分岔冷却通道均匀嵌入相变材 料中,几何结构如图4(b)。不难发现复合相变材料与 电池紧密贴合

16、，形成简单的夹层设计，复合相变材料均匀分布在电池的两侧，用于吸收电池产生的热量。CPCM+液冷通道 进【丨电池4电池1进口 出口 电池 CPCM(a)复合冷却系统一级通道 二级通道 三级通道出电池3(右视图示意图)I 电池2出口进口(液冷板示意)131 mmg gII19.5 mm 1140 mm冷却通道被均匀分为3级，各分支的通道长度 为19.5 mm,各级的通道数量为2、3、4,通道内部尺 寸为2 mm X 2 mm,通道厚度为0.5 mmo电池、冷 却液、铝板的热物理参数如表2。表2铝、冷却剂的热物理参数皿Table 2 Thermophy或cal parameters of alumi

17、num and coolant 14参数 电池 铝 水比热容/J/(kg k)1 633 871 4 182导热系数/W/(m k)*轴方向为1;y、z轴方向为29。202.4 0.6动力黏度/(Pa s)8.9X104密度/(kg/m 3)2 136.8 2 719 998.23数值模拟3.1控制方程为简化计算，对模型进行4点假设:冷却剂不 可压缩，固体区域热物理性质稳定;外表面与环 境之间的热对流导热系数为W/n?,忽略热辐射;忽略重力和黏性耗散的影响;忽略传热物体之间 的接触电阻。LIB能量方程用于获得电池温度，表示为：PbCb=%饨 W)+2ge(1)式中:久、久、饥分别为电池的密度、

18、比热容和导热 系数，其值如表2；7为变化梯度;T、t 分别为温度和时 间;Qge为电池产热。复合相变材料是由石蜡与膨胀石墨(质量分数 为12%)组成的混合物，表3列出了热物理性能 参数。表3复合相变材料的热物理参数勿Table 3 Thermophysical parameters of composite phase change materials15参数 数值比热容 Ccpcm/J/(kg.k)1 852导热系数為迦/山 k)5.74密度 Pcpcm/(kg/m 3)897潜热 M(J/g)224.4相变温度 Ta/C 40.85-43.85(b)液冷系统图4复合冷却系统模型Fig.4

19、Composite cooling system model 复合相变材料的连续性方程和能量方程为”:Pcpcm 罟+“Pcpcm 冷)=卩(*epcm 卞)(2)148重庆交通大学学报(自然科学版)第42卷H=肌+H(3)K=(TCJ T cpcm y 0AT(4)Aff=:旳(5)0(T TJ0=TTS(Ta T 7)式中:Ccpemepcm 和*epcm 分别相变材料的比热容、密度和导热系数,其具体数值见表3；H为CPCM的 焙;九为CPCM的潜热;0为CPCM液相分数拜为 相变熠;心为初始温度;隊为相变材料相变温度;片 为完全液化时的温度;厂为冷却板内水的速度矢量。根据式(7)、式(8

20、)可计算出流体在通道中最 大的雷诺数Re为34&95,小于2 300,因此模型选 用层流模型。Dh=2ab a+b(7)式中:E为进口水力直径;a 和6分别为进口的长度(2 mm)和宽度(2 mm)；u为进口流速;“为流体动 力黏度。控制方程如下：訂认(9)叽 一-+V(Pvi vv)=-VP(10)ot叽 T寸+心/)=0(11)ot式中:Pw、Cw和kw分别为水的密度、比热容和导热 系数,具体参数值见表2；7；为水的温度;P为压力。3.2边界和初始条件流体初始温度和环境温度均为25七；入口为质 量流量入口，其值设定为0.1 g/s；出口设置为压力 出口，其值默认为0 Pa。此外，为了研究B

21、TMS在恶 劣条件下的散热能力，电池的发热量设定 为 189 560 W/m 3o3.3网格独立性分析采用ICEM进行模型离散，考虑到计算效率和 精度，进行了网格独立性分析,具体数值如表40表4网格独立性分析结果Table 4 Grid independence analysis results网格数/万 压降/Pa 最大温差/*39.238 6.07 1.065100.216 6.07 1.050193.751 6.07 1.024236.254 6.42 1.011264.206 7.75 1.003293.953 7.75 1.001随着网格数的增加，电池组的最大温差和压降 整体呈现上升

22、的趋势。当网格数从193 751增加到 2 362 540时,各评价指标的误差均控制在0.05 C 以内，满足仿真计算的精度。因此,选择网格数为 193 751的模型及其节点设置用于以下所有模型，如 图5。图5网格及局部放大Fig.5 Mesh and local magnification diagram4结果与讨论4.1不同冷却方式的散热性能为体现复合冷却系统优势，对比分析了液体冷 却、相变冷却和复合冷却性能，温升曲线如图6。54.049.545.0W 40.5 啓 tng 36-0 噩31.527.0复合冷却 O液体冷却 相变冷却O G0叵-解o oO 合口合口ep=360 s|匸540

23、 s|22.50 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 时间/s图6不同冷却方式的电池温度变化Fig.6 Battery temperature variation with differentcooling methods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149当电池放电时间为0-360 s 时，相较于其他2 种冷却方式，采用相变冷却方式的电池温升曲线的 斜率最大，即温升速率最快,这是由于相变材料处 于固相阶段，此时热量传递主要依赖于固体间传 热,传热效率低。在360-540 s 时,采用液体冷却 的电池温

24、度仍然直线上升,相变冷却和复合冷却的 电池温度变化基本一致，且维持在41 T左右。当 超过540 s 时，相变材料完全液化，电池的温升速 率继续增加，直至超过电池的最佳温度工作范围（25-45 T）。相比于复合冷却,单一的液体冷却或相变冷却 均不能控制电池温度在45七以下。单一液体冷却 系统中，电池与冷却液对流换热过程需经过电池与 铝板的热传递阶段，使电池的热传递有延迟;对于单 一相变冷却主要通过相变材料吸收电池产生的热 量，一旦发生完全液化，散热效果就会显著降低。综 上所述,复合冷却方式的效果更好。4.2结构优化设计4.2.1 设计变量和目标函数为了改善复合相变材料与液冷复合式的热管理 系统

25、散热性能，满足锂电池的散热要求，定义最高温 度和压降为优化目标，选择第一级通道数量（禺）、第二级通道数量（*2）、第三级通道数量（兀）以及相 变材料厚度（瓦）为设计变量，考虑到实际应用,禺、蜀和兀均为整数，具体的设计范围如表5。表5优化设计参数Table 5 Optimal design parameters4.2.2 近似模型建立设计变量-优化范围初值 上限 下限2 2 5X2 3 3 6X?4 4 7X 3 3 6基于4.2.1节的优化变量可知，以传统的优化 设计方法对冷却系统进行多目标综合优化,计算量 大,效率低。根据文献 18 可知，响应面法（response surface meth

26、odology,RSM）具有计算复杂 度低，计算时间短以及分辨率高等优点，已广泛应用 于许多研究领域。因此，采用RSM近似模型来求解 该优化问题,近似优化模型的约束表达如下：minF（%）=（瞪皿仏），几点）,2）怎=禺爲兀讯严=2,3,4,5 t 禺=3,4,5,6X3=4,5,6,73 mm W 兀 W 6 mm（式中：丁噺（）为电池组最高温度；ATmax（如）为电池 组最大温差;AP为压降。在设计空间用DOE方法生成44个设计点，对 应的仿真模拟最高温度、最大温差和压降如表60表6样本点和数值模拟结果Table 6 Sample points and numerical simulati

27、on results样本点设计变量 目标函数兀 蜀 兀 最高温度/t 压降/Pa1 3 5 4 3.818 44.41 28.752 3 5 6 3.136 46.49 2&2343 3 5 4 5.591 42.08 2&7544 4 4 6 4.295 43.67 24.394.2.3 优化结果基于4.2.2节的实验设计，采用多目标粒子群优 化算法对复合冷却模型进行参数优化,其具体流程如 图7。在式（12）的约束条件下，经过评估后，获得最 优解禺=5、蜀=5、兀=7和兀=5.659 9 mm。（DOE实聲设计）c混合系统参数择目标函数和设讣变g）图7多目标优化流程Fig.7 Multi-o

28、bjective optimization process150重庆交通大学学报(自然科学版)第42卷由图8可知,优化后的电池组和液冷板的温度均 明显降低。从图9可知,优化后，最高温度、最大温差 分别降低了 1.48 P(3.4%)、0.36 T(35.36%)图中 数字为此点的值,后同。图10(a)中展示了经过优 化前后液冷板的压降分布，不难看出,优化模型的压 降比初始模型减少了约46.5%o由图10(b)可知,相比之下,原始的冷却通道的流速分布梯度更大,从 而导致电池的温度梯度和压降更大，因此，合理的优 化设计可提升冷却系统的性能。(ii)优化模型(i)原始模型(a)电池组秋 二 二 二(

29、ii)优化模型42086420864443 3 33322(a)液冷通道部分压降分布(i)原始模型(ii)优化模型O151 0?015流速/(m/s)0.0150.0120.0090.0060.0030温度/壬44.042.140.238.336.434.532.630.728.8U 26.925.0(i)原始模型(ii)优化模型(b)液冷通道流速分布(b)液冷板图8优化前后温度分布云图Fig.8 Cloud diagram of temperature distribution beforeand after optimization48流速/(m/$)0.0160.0140.012().0

30、10.0080.0060.0040.0020图10优化前后压降和流速的对比Fig.10 Comparison of pressure drop and flow rate beforeand after optimization45原始模型最咼温丿芟 最夭温差 优化模型最高温度1.48 T时间/$100 20()30()40()电池的放电 吋间为360$图9优化前后最高温度和最大温差的对比Fig.9 Comparison of the maximum temperature and maximum temperature difference before and after optimiza

31、tion4.3冷却液质量流量的影响基于4.2.3节的最优模型，为了更加直观观察 复合冷却系统的冷却性能,进一步探讨了冷却液质 量流量对复合冷却系统的影响。在不同入口质量流量工况下，对比分析了系统 的温度和压降变化，入口质量流量在0.1-0.7 g/s 间变化，间隔为0.2 g/s,相关的模拟结果如图 11、图 12o电池组的最高温度与质量流量呈负相关变化,当质量流量从0.1 g/s增加到0.7 g/s时，电池组的 最高温度为33.95 C,相较于0.1 g/s工况,降低了 8.24 C(19.53%)。然而，电池组的最大温差和压 降的整体的变化呈上升趋势，其中，电池组的最大温 差随着质量流量变

32、化呈上下起伏变化趋势；电池组 的压降呈上升趋势,且上升速率增加,当质量流量为 0.7 g/s时,系统的整体压力损失达到了 137.66 Pa o 综上，冷却液质量流量对复合式电池热管理系统系 统的散热性能具有显著的影响。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1514239363 330275 0 5 02 z L L _ _ 一 一 0.52 A A A 0 100 200 300 400 500 时间/$(a)0-1 g/s-I-!-0.0600 700 800386 33432308 2 口 2.0 A-A-A-O5悭 SI帼-J-1 0.00 100 200 300 4

33、00 500 600 700 800时间/s(d)0.7 g/s图口不同质量流量下的温度变化Fig.11 Temperature variation under different mass flow图12不同质量流量下的压降变化Fig.12 Pressure drop variation under different mass flow2)液冷通道结构参数对电池组散热系统的温度 和压力损失有很大的影响，合理地优化设计,可以有 效地提高冷却系统的性能。3)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降

34、低了 3.40%,35.36%和 46.50%。参考文献(References):1 XIONG Rui,PAN Yue,SHEN Weixiang,et al.Lithium-ion battery aging mechanisms and diagnosis method for automotive applications:recent advances and perspectives J.Renew Sustain Energy Reviews,2020,131：110048.2 LIN Jiayuan,LIU Xinhua,LI Shen,et al.A review on re

35、cent5结论progress,challenges and perspective of battery thennal management system J.International Journal cf Heat and Mass Transfer,2021,为改善电池热管理系统的冷却性能，提出了一 种新型分岔液通道与复合相变材料结合的冷却策 略，并对散热性能进行了数值研究。得出以下结论：1）相较于单一相变冷却或液体冷却方式,复合 冷却系统具有更好的冷却性能。167：120834.3 REN Dongsheng,FENG Xuning,LIU Lishuo t et al.Inves

36、tigating the relationship between internal short circuit and thermal runaway of lithium-ion batteries under thermal abuse condition J.Energy Storage Materials,2021,34：563-573.4 Lu Languang,Han Xuebing,Li Jianqiu f et al.A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicl

37、es152重庆交通大学学报（自然科学版）第42卷J.Journal of Power Sources,2013,226:272-288.5 张甫仁，易孟斐,汪鹏伟，等.锂离子电池复合热管理系统的多 目标优化J.重庆交通大学学报(自然科学版),2022,41(9)：147-154.ZHANG Furen,YI Mengfiei,WANG Pengwei,et al.Multi-objective optimization of composite thermal management system of lithium-ion battery J.Journal of Chongqing Jia

38、otong University(Natural Science),2022,41(9):147-154.6 WANG Ningbo,LI Congbo,LI Wei,et al.Efiiect analysis on performance enhancement of a novel air cooling battery thermal management system with spoilers J.Applied Thermal Engineering,2021,192：116932.7 LI Hua,XIAO Xiangyu,WANG Yanan,et al.Performanc

39、e investigation of a battery thermal management system with microencapsulated phase change material suspension J.Applied Thermal Engineering,2020,180：115795.8 PENG Yi,YANG Xiong,LI Zhibin,et al.Numerical simulation of cooling perfonnance of heat sink designed based on symmetric and asymmetric leaf v

40、eins J.International Journal of Heat and Mass Transfer,2021,166：127021.9 KIM J,OH J,LEE H.Review on battery theimal management system for electric vehicles J.Applied Thermal Engineering,2019,149：192-212.10 YANG Wen,ZHOU Fei,LIU Yuchen,et al.Thennal performance of honeycomb-like battery thennal manag

41、ement system with bionic liquid mini-chaimel and phase change materials for cylindrical lithium-ion battery J*Applied Thermal Engineering,2021,188：116649.11 HUANG Qiqiu,LI Xinxi,ZHANG Guoqing,et al.Thermal management of lithium-ion battery pack through the application of flexible form-stable composi

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44、nversion and Management,2022,251：114936.15 姜贵文.高导热复合相变材料的制备与动力电池热管理应用 研究D.南昌:南昌大学,2017.JIANG Guiwen.Study on Preparation of Composite Phase Change Material with High Thennal Conductivity and Its Application Power Battery Thermal Management D.Nanchang:Nanchang University,2017.16 LING Ziye,CHEN Jiajie

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46、ition traffic flow problem by multiple objectives programming model based on genetic algorithm J.Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science),2007,26(10)：147-150.18 黄晓云，夏胜建，全军，等.基于响应面法的管线平板闸阀浮动 阀座结构参数多目标优化J.石油化工设备,2022,51(4)：7-14.HUANG Xiaoyun,XIA Shengjian,QUAN Jun,et al.Multi-objective optimization o structural parameters of floating valve seat o pipeline plate gate valve based on response surface method J.Petrochemical Equipment,2022,51(4):7-14.(责任编辑:黄杨程)