快充工況下鋰離子動(dòng)力電池組

液冷系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

01 研究背景

近年來，雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的提出加快了交通電動(dòng)化進(jìn)程及能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，其中電動(dòng)汽車在此變革中扮演重要的角色。作為純電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿湍芰縼碓矗囯x子動(dòng)力電池技術(shù)在產(chǎn)業(yè)和科研界的推動(dòng)下取得了重大進(jìn)展與突破，能量密度隨材料體系、加工制造工藝和電池設(shè)計(jì)水平的提高不斷攀升，成本也隨之降低。然而，在車載電池系統(tǒng)空間、質(zhì)量的限制下，續(xù)航里程的增長(zhǎng)幾乎陷入“瓶頸”期。為此，快速充電成為提升電動(dòng)汽車使用舒適度的重要技術(shù)手段。但大倍率快充下電池產(chǎn)熱速率的劇烈增長(zhǎng)，電池負(fù)極表面鋰沉積和鋰枝晶的生長(zhǎng)帶來的循環(huán)壽命、安全性問題尚未得到有效解決。

因此，為解決上述熱安全和老化問題，針對(duì)電池快速充電過程進(jìn)行針對(duì)性的熱管理設(shè)計(jì)，避免電池系統(tǒng)過熱、熱不一致性等問題成為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

02 研究?jī)?nèi)容

2.1 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，為實(shí)現(xiàn)熱管理功能耦合的全氣候應(yīng)用，研究人員基于現(xiàn)有較為成熟的液冷板構(gòu)型，針對(duì)水-乙二醇混合而成的防凍冷卻液開展流道設(shè)計(jì)，基于控溫效果、熱一致性、功耗等三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)開展方案選擇，得到并行流道設(shè)計(jì)方案6。相較于特斯拉常用的蛇形（串行）流道，并行流道可在相同換熱面積下實(shí)現(xiàn)更低的壓降（功耗）。此方案可同PTC加熱膜集成于底盤中，間接加熱電池組，降低熱不均勻性，結(jié)合熱管理系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)全氣候應(yīng)用。

圖1 基于并行液冷系統(tǒng)的電池模組示意圖 [1,2]

2.2數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

經(jīng)計(jì)算雷洛數(shù)小于2300，此研究采用層流模型。此次研究數(shù)值計(jì)算模型所做假設(shè)如下：

（1）冷卻液為不可壓流體；

（2）電池模組中各組件熱物性參數(shù)為常數(shù)；

（3）輻射作用可忽略，在此模型中不考慮。

基于上述條件和假設(shè)，研究模型控制方程如下：

式中u, v, w 分別代表沿 x, y, z 三個(gè)方向的速度; Tl, cl, kl, ρl 分別代表冷卻液溫度, 比熱容, 導(dǎo)熱系數(shù)和密度; Tb, cb, kb, ρb 分別代表冷卻液溫度, 比熱容, 導(dǎo)熱系數(shù)和密度; t 和p分別代表時(shí)間和壓力; Qb代表電池體積產(chǎn)熱率。

2.3 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖2所示，此研究多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)參量為電池間距、邊距，流道橫向/縱向?qū)挾取⑸疃取?yōu)化目標(biāo)為快充工況下冷卻效果、溫度均勻性和熱管理系統(tǒng)功耗。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量示意圖

預(yù)熱系統(tǒng)所做多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟如圖3所示，具體流程可劃分為以下步驟：

（1）設(shè)計(jì)基于并行流道液冷系統(tǒng)的電池模組；

（2）定義設(shè)計(jì)變量的參數(shù)范圍和初始值；

（3）開展基于拉丁超立方法的樣本抽取；

（4）開展多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)代理模型構(gòu)建；

（5）通過NSGA II遺傳算法迭代搜尋最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；

（6）對(duì)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案和方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程示意圖

各設(shè)計(jì)參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)間敏感性分析如圖4所示：

圖4 敏感性分析示意圖

經(jīng)上述敏感性分析可知，對(duì)目標(biāo)參量影響最大的設(shè)計(jì)參數(shù)為流道深度Th，以其為主要設(shè)計(jì)參數(shù)和其他設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)目標(biāo)參數(shù)影響的響應(yīng)面示意圖如圖5所示，由此分析方法可得優(yōu)化各目標(biāo)參量的設(shè)計(jì)思路。

圖5 響應(yīng)面分析示意圖

通過遺傳算法從551組候選設(shè)計(jì)方案中迭代尋優(yōu)，具體篩選代理數(shù)學(xué)模型如下：

最優(yōu)方案選擇過程如圖6所示：

圖6 最有設(shè)計(jì)方案尋優(yōu)過程示意圖

03 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所得初始與最優(yōu)設(shè)計(jì)方案溫度、壓力曲線分別如圖7、圖8所示，經(jīng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，電池系統(tǒng)控溫效果、溫度均勻性和功耗均得到有效改善。

圖7各設(shè)計(jì)方案電池溫度實(shí)測(cè)曲線示意圖

圖8 各設(shè)計(jì)方案熱管理系統(tǒng)入口壓力實(shí)測(cè)曲線示意圖

04 總結(jié)

經(jīng)數(shù)值建模與多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)間的權(quán)衡甚至是同時(shí)得到改善。本次研究針對(duì)2.5C快速充電工況開展電池系統(tǒng)快充冷卻多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)溫升、熱一致性和功耗的改善，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證誤差在可允許的范圍內(nèi)，此方法可為電池系統(tǒng)復(fù)雜工況下的控制提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

審核編輯：湯梓紅