基于遺傳算法的電池包高效熱管理流道優(yōu)化

胡銀全，劉和平

（1重慶工程職業(yè)技術(shù)學院智能制造與交通學院，重慶 402260；2重慶大學電氣工程學院，重慶 402260）

鋰電池具有功率密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低等顯著優(yōu)勢，得到了越來越多的應用。然而，鋰電池對溫度非常敏感，在充放電過程中，電池內(nèi)部由于電化學反應和電阻而產(chǎn)生大量熱量，會使電池的溫度升高，影響電池的循環(huán)壽命、效率、可靠性和安全性[1-2]。鋰電池的最佳工作溫度在25～45 ℃，在電池內(nèi)或模塊間理想的溫差分布小于5 ℃[3-4]。出于安全考慮，電池熱管理系統(tǒng)需要將電池保持在一個最佳溫度范圍內(nèi)，在性能和老化之間提供一個良好的平衡[5]。因此，鋰電池非常需要高效的熱管理系統(tǒng)。

液體冷卻是一種有效的冷卻方法，在這方面的研究文獻已經(jīng)很多。然而，對于結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻效果影響的參數(shù)化研究仍然缺乏。研究表明，在高溫下儲存或使用，電池的容量和壽命會迅速下降，這是由于過度充電、快速放電和環(huán)境過熱導致的[6]。Al.Hallaj 等[7]發(fā)現(xiàn)相變材料(PCM)可以使電池溫度分布更加均勻，并使電池保持在安全的溫度范圍內(nèi)。主要由于PCM 具有較高的導熱系數(shù)和較低的熔點，有利于降低電池溫度。但由于其導熱系數(shù)很低，仍不能被廣泛應用[8-9]。眾所周知，液冷系統(tǒng)具有比空氣高得多的導熱系數(shù)，可以提供更好的冷卻性能，因此適用于大型電池模塊散熱。與空氣和相變材料冷卻系統(tǒng)相比，水冷系統(tǒng)在控制電池模塊的最高溫度和平衡溫差方面表現(xiàn)出更好的效果。Deng 等[10]研究了鋰離子電池的各種熱管理系統(tǒng)(battery thermal management，BTM)，得出間接液體冷卻系統(tǒng)最高溫度最低。Wang 等[11]分析了在傳熱流體中含有氧化鋁納米顆粒的5 種BTM 系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在較低的平均溫度下，納米顆粒的加入增強了液體冷卻系統(tǒng)的性能。與乙二醇相比，純水基冷卻劑具有更高的導熱系數(shù)，在較低的整體溫度和溫度梯度下提供了更好的熱性能。為了滿足可以快速吸收和傳遞電池產(chǎn)生的熱量需求,一些BTM 系統(tǒng)還增加了翅片或熱管，進一步提高了傳熱效率，這使得電池產(chǎn)生的熱量能夠快速傳輸?shù)街車h(huán)境[12-16]。

綜上所述，與空氣冷卻相比，流體冷卻是另一種常用且高效的電池熱管理方法。在較高的放電速率下，熱量產(chǎn)生更大，對熱管理系統(tǒng)的要求也更加關鍵。接觸電阻的降低可以通過在固體-固體界面處施加熱界面材料來實現(xiàn)。因此，減小熱接觸電阻可以大大改善熱性能。本文介紹了一種基于微通道硅基冷板和鋁翅片的電池組液體冷卻系統(tǒng)，用于鋰電池組的溫度管理。采用數(shù)值計算方法，研究了微通道進口液體質(zhì)量流量和微通道寬度對電池包散熱性能的影響，旨在為電動汽車電池熱管理系統(tǒng)的設計提供指導。

1 流道參數(shù)優(yōu)化

1.1 優(yōu)化方法

本次優(yōu)化的主要變量參數(shù)為翅片的節(jié)距s、高度h以及翅片長度l作為本次優(yōu)化對象，優(yōu)化變量共有3個，定義為

冷卻流道的功能是實現(xiàn)冷、熱流體間的熱量交換，因此散熱率為最重要的性能評價指標。此外，通過流道的流體壓力損失應在滿足冷卻需求的前提下盡可能小以減小水泵的能量消耗。因此，將散熱流道的散熱率和壓力損失作為設計時的主要目標。

散熱率的目標函數(shù)為

冷卻液流道壓力損失的目標函數(shù)為

根據(jù)上述子目標函數(shù)，建立散熱翅片的多目標優(yōu)化模型為

本次優(yōu)化的用于電池包散熱的板翅式冷卻流道內(nèi)部翅片變量取值范圍如表1所示。

表1 優(yōu)化變量取值范圍Table 1 Value range of optimized variables

1.2 優(yōu)化過程

為了能夠獲得散熱翅片的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出了一種基于Kriging 模型和遺傳算法的耦合優(yōu)化方法，整個優(yōu)化過程如圖1所示。采用拉丁超立方的方法進行樣本點的組合，為了采用Kriking模型需要規(guī)定參數(shù)的樣本，其中初始翅片高度為2.0～6.0 mm，初始翅片節(jié)距取值范圍為2.0～4.0 mm，錯齒長度為3.0～6.0 mm，一共選取了100 個樣本點進行研究。

表2 遺傳算法運行參數(shù)Table 2 Operating parameters of genetic algorithm

圖1 遺傳算法優(yōu)化過程流程圖Fig.1 Flow chart of genetic algorithm optimization process

1.3 優(yōu)化結(jié)果

基于遺傳算法的最佳參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如圖2所示，曲線呈現(xiàn)不規(guī)則的變化特性，翅片表面的換熱系數(shù)小于5000 W/m2以前流道的壓力損失較小。而高于6000 W/m2后流道的壓力損失較大，因此在5000～6000 W/m2的參數(shù)組合為最佳組合。表3 中列出了部分最優(yōu)參數(shù)組合，根據(jù)不同的需要進行選擇。

2 仿真分析

2.1 產(chǎn)熱模型

假設鋰電池內(nèi)部熱源均勻生熱，將電池的熱源項定義為恒定的體熱源，則鋰動力電池生熱功率計算公式為

圖2 多目標優(yōu)化結(jié)果Fig.2 Multi-objective optimization results

表3 部分最優(yōu)解及性能指標Table 3 Part of the optimal solutions and performance indicators

仿真用方形電池的物性參數(shù)如表4所示[17]。

表4 電池物性參數(shù)Table 4 Physical parameters of battery

2.2 邊界條件

圖3 CFD仿真模型Fig.3 CFD simulation model

冷卻液側(cè)單元體實際翅片模型見圖3(a)，冷卻液在翅片形成的通道內(nèi)流動。在高度方向上，選取其中一個流道高度作為單元體高度，在寬度方向上，選取鋸齒翅片模型的一個周期長度。在實際應用中，電池通常以電池組的形式使用。每個冷卻板都被兩個電池單元夾在中間，磷酸鐵鋰電池為矩形。電池產(chǎn)生的熱量通過接觸面?zhèn)鬟f到冷板，然后傳遞到流經(jīng)微型通道的冷卻液中。采用實際翅片的結(jié)構(gòu)無法進行模擬，因此采用多孔介質(zhì)方法代替所有翅片，通過仿真單元體模型得到多孔介質(zhì)參數(shù)進行整體冷卻流道的模擬。圖3(b)描述了電池和微通道散熱板的結(jié)構(gòu)。考慮了板中冷卻液分布的不均勻性。進口和出口分布在冷板的兩側(cè)。冷卻液流入散熱板，然后分成幾個分支，每個分支中的質(zhì)量流率是不同的，每個通道之間的間隙相同均為3 mm。計算模型的網(wǎng)格劃分如圖4所示，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，根據(jù)實際尺寸建立表面固體區(qū)域，耦合傳熱面在網(wǎng)格劃分時在壁面附近劃分邊界層網(wǎng)格，在FLUENT中選擇標準壁面函數(shù)處理，接觸的面全部將熱量傳遞的方式設為Coupled，從而自動耦合換熱。冷卻板及冷卻液的性能參數(shù)如表5所示。

圖4 計算模型網(wǎng)格Fig.4 Calculation model grid

表5 材料性能Table 5 Material properties

2.3 仿真結(jié)果

在圖5(a)中藍色的代表翅片，在翅片的兩側(cè)和后部流速較低，表明翅片的厚度對冷卻液的前進方向的流動影響較大，在兩排翅片中間區(qū)域冷卻液的流速幾乎沒有變化，形成了明顯的速度差異。為了更好地觀察到內(nèi)部的速度變化情況，截取一個平面進行可視化分析如圖5(b)所示，可以看到冷卻液在鋸齒翅片中流動的速度分布規(guī)律，在靠近翅片處流速變小，每兩排翅片中心均存在一個較高速度的中心，在離中心較近區(qū)域流速較快。仿真結(jié)果表明翅片的存在破壞了流體的流動狀態(tài)，根據(jù)場協(xié)同原理翅片的存在會促進流體與翅片表面的對流換熱，能夠增加翅片表面的場協(xié)同角，對電池的熱管理系統(tǒng)具有重要的促進作用。

圖5 速度分布云圖(m/s)Fig.5 Velocity distribution cloud map(m/s)

為了獲取電池包內(nèi)部冷卻液實際的流動狀態(tài)采用多孔介質(zhì)模型對電池包進行了模擬如圖6 所示，下部為冷卻液的入口上部為出口，電池表面下部的速度明顯高于上部，并且不同流道間的速度也存在差異，說明不同流道間的流量是不相同的。從溫度云圖可以看到左側(cè)電池表面溫度高于右側(cè)，并且電池表面的溫度分布具有一定的不一致性，即電池模塊邊緣出現(xiàn)高溫，中間出現(xiàn)低溫。當1 C放電時冷卻液溫度最高處達到了35 ℃，而此處電池內(nèi)部的溫度會較高，存在熱失控的可能性，因此在不改變其他條件的前提下，為了提高離進水口較近的通道內(nèi)的冷卻液流量，可以通過減小遠離進水口的電池間距，增大遠離進水口的電池通道內(nèi)的冷卻液流動阻力。

圖7(a)為3 C 放電結(jié)束時不同電池間距下電池模塊內(nèi)溫度的分布，在0.2、0.3、0.4、0.5 mm的情況下，電池的最高溫度均未超出規(guī)定的范圍。雖然間距越小的翅片可以增強熱傳導，但是間距越小對冷卻板翅片的加工難度越大。而間距過大會使得整個電池包的體積過大，冷卻液的流速也會降低，所以綜合考慮后選擇電池的間距為0.5 mm。從圖7(b)中可以看出，各種情況下的溫度分布都不一致，即電池模塊上部出現(xiàn)高溫，下部出現(xiàn)低溫。隨著冷卻液入口流動速度的增加，電池溫度會降低，表明大流量有助于保持電池溫度的一致性。

3 實驗研究

3.1 模組溫控試驗臺

電池模組溫控測試系統(tǒng)實驗平臺如圖8 所示，該平臺主要包括電池模塊、溫度采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。通過Labview控制界面實現(xiàn)整套測試系統(tǒng)的控制。為了便于監(jiān)測電池的溫度，需要選擇合理的溫度監(jiān)測點，因此將溫度傳感器布置在電池表面及冷卻液進出口處，用于計算冷卻液的換熱量和電池內(nèi)部的溫度。測試中所使用的測溫儀溫度范圍為-20～100 ℃，使用的熱電偶是T 型熱電偶，測試精度為±1 ℃。此外，選用的商用矩形磷酸鐵鋰電池的性能參數(shù)如表6所示。電池的尺寸是152 mm×120 mm×20 mm(高度×寬度×長度)，在本研究中各電池之間的差異可以忽略不計。電池單體間通過銅片焊接后成為模組。

3.2 結(jié)果與討論

圖7 不同條件下電池組冷卻系統(tǒng)性能Fig.7 Battery pack cooling system performance under different conditions

圖8 電池溫控測試系統(tǒng)平臺Fig.8 Battery temperature control test system platform

表6 磷酸鐵鋰電池性能參數(shù)Table 6 Performance parameters of lithium iron phosphate battery

根據(jù)圖9 中的實驗數(shù)據(jù)可以看出，在1 C 放電倍率下電池產(chǎn)熱量較小溫度上升比較緩慢，放電結(jié)束后冷卻液的溫度大約為34 ℃。而在3 C 放電倍率下電池產(chǎn)熱量較大因此溫度上升比較快，在放電倍率超過0.7 C后冷卻液的溫度出現(xiàn)了增大的趨勢，電池產(chǎn)生的熱量會迅速積累，導致溫度上升速度更快。如果此階段不增加冷卻系統(tǒng)的換熱量，電池會出現(xiàn)熱失控的風險。放電結(jié)束后冷卻液的溫度大約為41 ℃，而電池內(nèi)部的溫度會比較高。為了提高電池模塊的冷卻效果有效保證電池模塊保持在最佳工作溫度內(nèi)，在電池放電倍率超過3 C后,為了控制電池模塊的溫度在45 ℃以下，控制系統(tǒng)要控制電池模塊周圍的冷卻液更迅速地消除電池產(chǎn)生的熱量。通過CFD 仿真值與實驗值對比可知，最大誤差約為6%，表明仿真模型的精度具有很好的可靠性。

圖9 不同放電倍率下電池表面的溫度變化Fig.9 The temperature change of the battery surface under different discharge rates

在電動汽車運行的情況下，熱管理系統(tǒng)循環(huán)的動力將來自從電池中提取的能量。因此，優(yōu)化流量對于減小泵的能耗極為重要。根據(jù)試驗結(jié)果可以得到如圖10 所示的冷卻液的溫度、流量與換熱量的關系圖，將此圖作為冷卻液控制策略的依據(jù)。從實驗結(jié)果可以看出，冷卻液的流量和溫度對整個電池包內(nèi)部換熱量的影響比較明顯。冷卻液在較低速度條件下，電池組中將存儲更多的熱量，表明在較低流速下，較少的熱量傳遞到冷卻液中。因此，為了控制電池的溫度在安全范圍內(nèi)，需要對冷卻液的流量和溫度進行快速、準確的監(jiān)測，實時反饋給熱管理系統(tǒng)，避免熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。同時，經(jīng)過優(yōu)化后選擇的冷卻板內(nèi)部翅片的參數(shù)組合具有較好的換熱效果，整個系統(tǒng)的換熱量可以達到整個電池包的散熱需求。

圖10 冷卻液參數(shù)對換熱性能的影響Fig.10 The influence of coolant parameters on heat transfer performance

4 結(jié)論

本文設計了一種新型電池熱管理液冷系統(tǒng)，將鋁材料和硅冷板的優(yōu)良冷卻效果相結(jié)合，構(gòu)建的硅冷板與鋁翅片耦合結(jié)構(gòu)是一種控制溫度更合適的可行和有效的方法。為了優(yōu)化電池模塊的熱管理，采用遺傳算法對鋁翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。為了研究電池組的熱性能，建立了三維數(shù)值模型，分析了入口質(zhì)量流量和通道寬度對電池包熱特性的影響，并測試分析了熱管理系統(tǒng)的實際應用效果。主要結(jié)論如下。

（1）采用拉丁超立方的方法進行樣本點的組合，多目標遺傳算法計算結(jié)果表明翅片表面換熱系數(shù)在5000～6000 W/m2的參數(shù)組合為最佳組合。

（2）CFD 仿真表明翅片的存在會促進流體與翅片表面的對流換熱，增加翅片表面的場協(xié)同角，對電池的熱管理具有重要的促進作用。電池表面下部的速度明顯高于上部，并且不同流道間的速度也存在差異。電池表面的溫度分布都不一致，電池模塊邊緣出現(xiàn)高溫，中間出現(xiàn)低溫。

（3）優(yōu)化后的流體冷卻系統(tǒng)單體電池溫差能夠控制在5 ℃以內(nèi)。在3 C 充放電B過程中，電池模塊的最高溫度保持在45 ℃以內(nèi)，能夠很好地滿足實際應用中對高倍率的要求。獲得了冷卻液流量和溫度與換熱量的關系，此研究結(jié)果可以作為冷卻系統(tǒng)控制策略的依據(jù)。