锂离子电池组液冷式热管理系统的设计及优化_刘书琴.pdf
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1、第 12 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.12 No.7Jul.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology锂离子电池组液冷式热管理系统的设计及优化刘书琴1,王小燕2,张振东2,段振霞2(1江苏省盐城技师学院,江苏 盐城 224000;2上海理工大学,上海 200093)摘要:为了设计一款新的锂离子电池组液冷式热管理系统,建立了锂离子电池组热管理系统试验台架以及该系统耦合电动汽车动力学的一维仿真模型。首先,以试验结果验证了仿真模型的准确性。其次,研究了系统配置参数对电池温度的影响机理;最后,以电池温度不超过32 和最低的系统功耗作为
2、优化目标,建立多目标优化模型对系统的配置参数进行了优化。结果表明:试验与仿真结果的误差在3.0%内。较高的流量、较低的入口温度、较低的冷却液浓度会降低电池温度,而延迟冷却干预可以降低20%左右的系统功耗,采用响应面法结合MOGA-算法进行多目标优化后,在1.0 C放电倍率时,最高电池温度为30.83,并且可进一步将系统功耗降低至2750 W。这说明优化得到的系统最优配置参数方案较好地平衡了电池温度与系统功耗,试验与仿真结合的设计方法为电动汽车锂离子电池组的热管理系统设计提供了参考。关键词:锂离子电池;液冷式热管理系统;耦合电动汽车动力学;一维仿真;多目标优化doi:10.19799/ki.20
3、95-4239.2023.0152 中图分类号:TM 911 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)07-2155-11Experimental and simulation research on liquid-cooling system of lithium-ion battery packsLIU Shuqin1,WANG Xiaoyan2,ZHANG Zhendong2,DUAN Zhenxia2(1Yancheng Technician College Jiangsu Province,Yancheng 224000,Jiangsu,China;2Univeres
4、ity of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)Abstract:This study aims to design a new liquid-cooling heat management system for lithium-ion battery packs.We have established a special experimental platform and a liquid-cooling system model coupled with an EV dynamic model to dete
5、rmine the optimal matching parameters for the components and the operational control strategies of the system.The results indicate that the deviation between experiment and simulation is within 3.0%under normal conditions.A higher flow rate and lower inlet temperature results in a lower battery temp
6、erature,while delaying the cooling intervention can reduce power consumption by around 20%.To further reduce the power consumption to 2750 W and maintain a battery temperature of 30.83 during normal 1.0 C discharge,we conducted a multiobjective optimization using the response surface method combined
7、 with genetic algorithm.Additionally,this optimization demonstrates a well-balanced solution between battery temperature and power consumption during the drive cycle.By combining the results of the experiment and simulation,this work provides 储能锂离子电池系统关键技术专刊收稿日期:2023-03-09;修改稿日期:2023-04-07。第一作者:刘书琴(
8、1971),女,硕士,高级讲师,从事汽车新能源技术开发,E-mail:;通讯作者:王小燕,讲师,从事汽车技术开发,E-mail:xiaoyan_。引用本文:刘书琴,王小燕,张振东,等.锂离子电池组液冷式热管理系统的设计及优化J.储能科学与技术,2023,12(7):2155-2165.Citation:LIU Shuqin,WANG Xiaoyan,ZHANG Zhendong,et al.Experimental and simulation research on liquid-cooling system of lithium-ion battery packsJ.Energy Stor
9、age Science and Technology,2023,12(7):2155-2165.2023 年第 12 卷储能科学与技术valuable insights for designing an excellent liquid-cooling system for lithium-ion battery packs in electric vehicles.Keywords:lithium-ion battery;liquid-cooling system;coupled with EV dynamic model;one-dimensional numerical analysis
10、;multi-objective optimization锂离子电池因其能量密度大、自放电率低、无记忆效应1-2等优点被广泛应用于电动汽车储能系统中。锂离子电池在充电和放电工作中会产生热量,加上电池组的封闭结构弱化了热量的传导,导致锂离子电池温度快速升高,特别是极端充放电模式下的高温。然而,温度严重影响锂离子电池的容量和使用寿命。较低的温度会导致电池3的退化,而较高的温度会触发热失控4,造成安全隐患。为了将电池的工作温度控制在050,电池热管理系统是必不可少的5。目前,电池热管理系统的冷却方式主要分为三类,即风冷、液冷、相变材料冷却6。液冷相较于风冷和相变材料冷却方式具有传热系数较高、温度分布
11、均匀等优点,因此,液冷式热管理系统应用越来越广泛。国内外对液冷式锂离子电池组热管理系统的研究主要集中在换热组件的结构设计及布置、热管理系统的控制策略及参数优化。部分学者7-10针对液冷板的不同结构类型对其冷却性能的影响机理进行了研究,发现不同的通道形状、数量、接触面、内径等因素对削弱电池温升具有不同的影响效果,但都能积极抑制电池温度升高。在系统层面,对热管理系统的控制策略研究、参数优化已经具有较好的基础。薛超坦11研究了液冷板流量、冷却液温度、冷管宽度等冷却因素对散热效果的影响,结果表明,同一冷却液流量下电池放电倍率越大则电池组温升越大、单体间温差越大,冷却液温度越低时电池组温度下降速度越快、
12、单体温差越大,冷管宽度越大时电池组内最高温度越低,在放电状态下电池组内前半段时间内的温差随冷管宽度增大而增大,而放电的后半段时间内温差随之减小。马彦等12针对电池组模型的非线性与时变特性,提出基于模糊PID算法的液冷策略,相比传统PID冷却策略具有更快的温度调节速度,有效减小电池组的温度不一致性,并增强系统抗电流扰动能力。此外,热管理系统多参数优化方法主要包括方差分析正交试验设计法、代理模型响应面法和训练算法神经网络法。例如E等人13通过正交试验分析了电池模块不同排列方式下的通风方案的散热特性,结果表明:电池44排列方式优于28排列方式,直线排列方式优于交错排列方式。但在给定的参数范围内,正交
13、实验设计只能得到较好的解,而不能得到最佳解。Xie等人14提出了一种利用 响 应 面 法(response surface methodology,RSM)优化机车电池组空气通道的方法,优化后的结构使荷电状态(SOC)差降低了81.1%,健康状态提高了0.03%,电池温度保持在较低水平。相比之下,RSM可以根据适当的数据量在多个目标中搜索最优解集。这些研究为本文中的多目标优化提供了参考。但不同于传统的优化目标15的权重分配,本研究结合了响应面法和K均值聚类算法,在不同工况下寻找热管理系统的参数配置最优解。1 数值方法1.1物理模型图1为本工作所设计的锂离子电池组热管理系统的试验台架示意图,该系
14、统将电池组冷却回路与车辆空调系统回路(以恒温浴槽来模拟)通过板式换热器进行耦合,其中,电池组冷却回路为该系统主要工作部分,由泵、液冷板、水箱、板式换热器、温度与压力传感器、流量计组成。通过电控单元实现对系统内泵转速、恒温浴槽控制,采用热电偶对电池各个测点的温度进行采集并传输至电控系统中。为了减少对流换热,电池组与液冷板被气凝胶包裹并放置于木质保温箱中,木质保温箱表面以铝箔胶带所覆盖以减少热辐射。试验台架实物和试验台主要部件参数分别如图2和表1所示。电池在工作过程中产生的总热量q(t),其中一部分热量qb(t)用于提升自身温度,剩余部分热量qloss(t)流散至周围环境,此部分称为电池表面热通量
15、(热损)。根据能量守恒定律:qb(t)=cmdTrise(t)/dt(1)式中,c和m分别为电池比热容J/(kg)和质量(kg),Trise为电池的温升(),t为时间(s)。而表面热通量(热损)可表示如下:2156第 7 期刘书琴等:锂离子电池组液冷式热管理系统的设计及优化qloss(t)=Abq?(t)(2)式中,Ab为电池表面积(m2),q?(t)为向外热流(J/s)。由上述分析可知,通过获取电池温升率dTrise(t)/dt和向外热流q?(t),可计算得到电池的生热率:q(t)=cmdTrise(t)/dt+Abq?(t)(3)图2液冷式锂离子电池热管理系统的试验台架Fig.2The t
16、est bench of liquid-cooling system for Lithium-ion battery图1液冷式锂离子电池热管理系统的试验台架示意图Fig.1Structure diagram of liquid-cooling system for lithium-ion battery21572023 年第 12 卷储能科学与技术电池的温度和表面热通量(热损)等数据可用“校准量热法”16进行测得:在每个单体电池上分别布置了12个K型热电偶,对每个单体电池的各个位置的温度进行测量,其中TC1和TC7分别安装在负和正极处,TC2TC6均匀安装在单体电池的上表面中心线,TC8TC1
17、2均匀安装在单体电池的下表面中心线,如图3所示。在试验台架测试电池温度的主要步骤如下:开启系统,通过恒温浴槽将电池冷却回路中冷却液温度调节至所需的进口温度;待冷却液温度稳定一段时间后,通过充放电仪以所需倍率对电池组进行充放电;通过热电偶对各个测点的温度进行测量并采集至上位机中,再对这些测点的温度求平均值,得到电池平均温度。值得一提的是本文中涉及的试验得到的电池温度皆指以此方法测得的电池平均温度,以下统称“电池温度”。通过试验,得到1.0 C放电倍率下的电池温度变化曲线,如图4所示,对图中的电池温度做一阶求导运算,可得到电池温升率dTrise(t)/dt。电池表面热通量与电池表面向外热流q?(t
18、)的意义相同且拥有同量纲,因此,由表1中的电池数据,整理得到电池生热率表达式为q(t)=7.292 10-13t3-20.448 10-10t2-2.02 10-7t+7.103 10-3(4)1.2仿真模型根据图 1 中试验台架的组成,基于 AMEsim仿真平台软件建立了锂离子电池热管理系统的一维图3锂离子电池温度测点Fig.3The temperature measurement point for Lithium-ion battery表1试验系统组成部件规格参数Table 1Specifications of main components in the liquid-cooling
19、experimental system部件板式换热器恒温浴槽泵压力和温度传感器稳压电源流量计水箱数据采集卡型号EATB23-D-24SC1030Gospel PWM/DAPT/PM100DPS3010DFHKU-938-6300Cruze 1.8NI USB-6212参数尺寸:24通道,315 mm77 mm通道体积:0.031 L设计压力:4.5 MPa设计温度:-180200 热交换功率r:230 kW尺寸:420 mm330 mm230 mm设计温度:-10100 精确度:0.05 流量:013 L/min尺寸:110 mm100 mm70 mm工作电压:24 V流量:025 L/min
20、最大扬程:15 m设计温度:0110 螺纹尺寸:M20 mm1.5 mm量程:-40120/02 MPa精确度:2%输出信号:420 mA工作电压:24 V输入电压:(22010%)V输出电压:030 V输出电流:05 A输出功率:0150 W显示误差:0.1%测量范围:330 L/min精确度:2%设计温度:-10100 设计压力:020 bar(1 bar=0.1 MPa)输出信号:420 mA信号类型:方波信号容量:1.8 L输入频率:400 kS/s输出频率:250 kS/s电压范围:0150 V时间分辨率:50 ns功能描述低温端与恒温浴槽连接,高温端与液冷板连接模拟汽车空调系统通过
21、冷却液与液冷式电池热管理系统进行热交换提供不同流量的冷却液测量冷却液的压力与温度供电至系统用电部件测量冷却液流量储存与补偿冷却液采集电池的温度数据图41.0 C放电倍率下的单体电池温度与表面热通量Fig.4The collected mean battery temperature and heat flux during 1 C discharge2158第 7 期刘书琴等:锂离子电池组液冷式热管理系统的设计及优化仿真模型,考虑到该热管理系统在不同工况下的性能不同,将电动汽车动力学系统模型与所建立的热管理系统仿真模型进行耦合,整个仿真模型主要包括电池生热-液冷板换热模块、热管理系统回路模型及
22、电动汽车动力学模型,如图5所示。电动汽车动力学模型中包含驾驶控制子模型、车辆子模型、电池子模型、电机子模型。冷却液类型为50%水和50%乙二醇混合,主要仿真参数如表2所示。1.3仿真模型验证通过试验得到了电池组在1.0 C放电倍率下的电池温度,同样地,将式4的电池生热率表达式作为仿真模型中电池生热模块的热流输入,得到1.0 C放电倍率下的电池温度,将两者进行对比,如图6所示。与仿真结果相比,试验中电池的升温过程略有延迟,但在放电结束时,两条曲线趋于相交。仿真与实验结果的最大偏差为1.8%。产生偏差的原因可能是:电池生热模块与实际电池热行为的相似性有限;由于K型热电偶位于电池表面,可能会导致温度
23、信息延迟。但上述偏差和延迟都是可以接受的,说明仿真模型具有合理的精度,能够较好地反映液冷式热管理系统的真实温度变化。2 仿真结果与分析本研究中的热管理系统以电池在放电工况中温度不超过32 为热管理目标,同时期望系统功耗最小化,从而提升系统能耗比。首先,仿真分析了冷却液流量、冷却液入口温度和冷却介入时刻对电池温度和系统功耗的影响。冷却液流量对电池温度的影响如图7所示,电池温升随流量增加而降低,但图5耦合车辆动力学的热管理系统仿真模型Fig.5The simulation model of coupled with EV dynamic model表2主要仿真参数Table 2The main p
24、arameters for simulation model参数电池容量/Ah电池尺寸/mm电池密度/(kg/m3)电池比热容/J/(kg)电池导热系数/W/(m)冷却液比热容/J/(kg)冷却液初始温度/数值55.030010011.225501.86T+1102.81.32330025参数电池工作电压/V车身重量/kg最大制动扭矩/(Nm)电机最大扭矩/(Nm)冷却液密度/(kg/mm3)冷却液导热系数/W/(m)环境温度/数值3.620002003001071.110.3725图6电池温度的实验值与仿真值对比Fig.6The comparison of battery temperatu
25、re between experimental and simulated results21592023 年第 12 卷储能科学与技术降速随着流量的增加而减小,存在边际效应。图8显示了冷却液入口温度对电池温度的影响,随着入口温度的降低,电池温度稳定下降,入口温度每降低1.0,电池温度下降(0.80.1)。在实际应用中,热管理系统的连续冷却会消耗额外的功率,提升系统功耗。因此,本工作采用延迟冷却策略,冷却介入时刻对电池温度的影响如图9所示。随着冷却介入时刻的推后,电池最终温度上升,且上升趋势越来越陡。冷却介入后的一段时间内,各情况间的电池温度差较大,但随着冷却时间的增长,温度差不断减少,最后温
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