快充工况下锂离子动力电池组液冷系统多目标优化设计与实验研究
快充工况下锂离子动力电池组
液冷系统多目标优化设计与实验研究
01 研究背景
近年来，双碳战略目标的提出加快了交通电动化进程及能源结构转型，其中电动汽车在此变革中扮演重要的角色。作为纯电动汽车的主要动力和能量来源，锂离子动力电池技术在产业和科研界的推动下取得了重大进展与突破，能量密度随材料体系、加工制造工艺和电池设计水平的提高不断攀升，成本也随之降低。然而，在车载电池系统空间、质量的限制下，续航里程的增长几乎陷入“瓶颈”期。为此，快速充电成为提升电动汽车使用舒适度的重要技术手段。但大倍率快充下电池产热速率的剧烈增长，电池负极表面锂沉积和锂枝晶的生长带来的循环寿命、安全性问题尚未得到有效解决。
因此，为解决上述热安全和老化问题，针对电池快速充电过程进行针对性的热管理设计，避免电池系统过热、热不一致性等问题成为电池热管理系统设计的关键。
02 研究内容
2.1 热管理系统设计
如图1所示，为实现热管理功能耦合的全气候应用，研究人员基于现有较为成熟的液冷板构型，针对水-乙二醇混合而成的防冻冷却液开展流道设计，基于控温效果、热一致性、功耗等三项关键技术指标开展方案选择，得到并行流道设计方案6。相较于特斯拉常用的蛇形（串行）流道，并行流道可在相同换热面积下实现更低的压降（功耗）。此方案可同ptc加热膜集成于底盘中，间接加热电池组，降低热不均匀性，结合热管理系统控制实现全气候应用。
图1 基于并行液冷系统的电池模组示意图 [1,2]
2.2数值计算模型构建
经计算雷洛数小于2300，此研究采用层流模型。此次研究数值计算模型所做假设如下：
（1）冷却液为不可压流体；
（2）电池模组中各组件热物性参数为常数；
（3）辐射作用可忽略，在此模型中不考虑。
基于上述条件和假设，研究模型控制方程如下：
式中u, v, w 分别代表沿 x, y, z 三个方向的速度; tl, cl, kl, ρl 分别代表冷却液温度, 比热容, 导热系数和密度; tb, cb, kb, ρb 分别代表冷却液温度, 比热容, 导热系数和密度; t 和p分别代表时间和压力; qb代表电池体积产热率。
2.3 多目标优化设计
如图2所示，此研究多目标优化设计参量为电池间距、边距，流道横向/纵向宽度、深度。优化目标为快充工况下冷却效果、温度均匀性和热管理系统功耗。
图2 优化设计变量示意图
预热系统所做多目标优化设计步骤如图3所示，具体流程可划分为以下步骤：
（1）设计基于并行流道液冷系统的电池模组；
（2）定义设计变量的参数范围和初始值；
（3）开展基于拉丁超立方法的样本抽取；
（4）开展多目标优化设计的数学代理模型构建；
（5）通过nsga ii遗传算法迭代搜寻最优设计方案；
（6）对最优设计方案和方案进行实验验证。
图3 优化设计流程示意图
各设计参数与目标参数间敏感性分析如图4所示：
图4 敏感性分析示意图
经上述敏感性分析可知，对目标参量影响最大的设计参数为流道深度th，以其为主要设计参数和其他设计参数对目标参数影响的响应面示意图如图5所示，由此分析方法可得优化各目标参量的设计思路。
图5 响应面分析示意图
通过遗传算法从551组候选设计方案中迭代寻优，具体筛选代理数学模型如下：
最优方案选择过程如图6所示：
图6 最有设计方案寻优过程示意图
03 实验验证
经实验验证所得初始与最优设计方案温度、压力曲线分别如图7、图8所示，经多目标优化设计，电池系统控温效果、温度均匀性和功耗均得到有效改善。
图7各设计方案电池温度实测曲线示意图
图8 各设计方案热管理系统入口压力实测曲线示意图
04 总结
经数值建模与多目标优化设计，可实现多个设计目标间的权衡甚至是同时得到改善。本次研究针对2.5c快速充电工况开展电池系统快充冷却多目标优化设计，成功实现电池系统温升、热一致性和功耗的改善，经实验验证误差在可允许的范围内，此方法可为电池系统复杂工况下的控制提供设计指导。
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因此，为解决上述热安全和老化问题，针对电池快速充电过程进行针对性的热管理设计，避免电池系统过热、热不一致性等问题成为电池热管理系统设计的关键。
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如图1所示，为实现热管理功能耦合的全气候应用，研究人员基于现有较为成熟的液冷板构型，针对水-乙二醇混合而成的防冻冷却液开展流道设计，基于控温效果、热一致性、功耗等三项关键技术指标开展方案选择，得到并行流道设计方案6。相较于特斯拉常用的蛇形（串行）流道，并行流道可在相同换热面积下实现更低的压降（功耗）。此方案可同ptc加热膜集成于底盘中，间接加热电池组，降低热不均匀性，结合热管理系统控制实现全气候应用。
图1 基于并行液冷系统的电池模组示意图 [1,2]
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（1）冷却液为不可压流体；
（2）电池模组中各组件热物性参数为常数；
（3）辐射作用可忽略，在此模型中不考虑。
基于上述条件和假设，研究模型控制方程如下：
式中u, v, w 分别代表沿 x, y, z 三个方向的速度; tl, cl, kl, ρl 分别代表冷却液温度, 比热容, 导热系数和密度; tb, cb, kb, ρb 分别代表冷却液温度, 比热容, 导热系数和密度; t 和p分别代表时间和压力; qb代表电池体积产热率。
2.3 多目标优化设计
如图2所示，此研究多目标优化设计参量为电池间距、边距，流道横向/纵向宽度、深度。优化目标为快充工况下冷却效果、温度均匀性和热管理系统功耗。
图2 优化设计变量示意图
预热系统所做多目标优化设计步骤如图3所示，具体流程可划分为以下步骤：
（1）设计基于并行流道液冷系统的电池模组；
（2）定义设计变量的参数范围和初始值；
（3）开展基于拉丁超立方法的样本抽取；
（4）开展多目标优化设计的数学代理模型构建；
（5）通过nsga ii遗传算法迭代搜寻最优设计方案；
（6）对最优设计方案和方案进行实验验证。
图3 优化设计流程示意图
各设计参数与目标参数间敏感性分析如图4所示：
图4 敏感性分析示意图
经上述敏感性分析可知，对目标参量影响最大的设计参数为流道深度th，以其为主要设计参数和其他设计参数对目标参数影响的响应面示意图如图5所示，由此分析方法可得优化各目标参量的设计思路。
图5 响应面分析示意图
通过遗传算法从551组候选设计方案中迭代寻优，具体筛选代理数学模型如下：
最优方案选择过程如图6所示：
图6 最有设计方案寻优过程示意图
03 实验验证
经实验验证所得初始与最优设计方案温度、压力曲线分别如图7、图8所示，经多目标优化设计，电池系统控温效果、温度均匀性和功耗均得到有效改善。
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04 总结
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