快充工況下鋰離子動力電池組

液冷系統多目標優化設計與實驗研究

01 研究背景

近年來，雙碳戰略目標的提出加快了交通電動化進程及能源結構轉型，其中電動汽車在此變革中扮演重要的角色。作為純電動汽車的主要動力和能量來源，鋰離子動力電池技術在產業和科研界的推動下取得了重大進展與突破，能量密度隨材料體系、加工制造工藝和電池設計水平的提高不斷攀升，成本也隨之降低。然而，在車載電池系統空間、質量的限制下，續航里程的增長幾乎陷入“瓶頸”期。為此，快速充電成為提升電動汽車使用舒適度的重要技術手段。但大倍率快充下電池產熱速率的劇烈增長，電池負極表面鋰沉積和鋰枝晶的生長帶來的循環壽命、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，針對電池快速充電過程進行針對性的熱管理設計，避免電池系統過熱、熱不一致性等問題成為電池熱管理系統設計的關鍵。

02 研究內容

2.1 熱管理系統設計

如圖1所示，為實現熱管理功能耦合的全氣候應用，研究人員基于現有較為成熟的液冷板構型，針對水-乙二醇混合而成的防凍冷卻液開展流道設計，基于控溫效果、熱一致性、功耗等三項關鍵技術指標開展方案選擇，得到并行流道設計方案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現更低的壓降（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，結合熱管理系統控制實現全氣候應用。

圖1 基于并行液冷系統的電池模組示意圖 [1,2]

2.2數值計算模型構建

經計算雷洛數小于2300，此研究采用層流模型。此次研究數值計算模型所做假設如下：

（1）冷卻液為不可壓流體；

（2）電池模組中各組件熱物性參數為常數；

（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，研究模型控制方程如下：

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

2.3 多目標優化設計

如圖2所示，此研究多目標優化設計參量為電池間距、邊距，流道橫向/縱向寬度、深度。優化目標為快充工況下冷卻效果、溫度均勻性和熱管理系統功耗。

圖2 優化設計變量示意圖

預熱系統所做多目標優化設計步驟如圖3所示，具體流程可劃分為以下步驟：

（1）設計基于并行流道液冷系統的電池模組；

（2）定義設計變量的參數范圍和初始值；

（3）開展基于拉丁超立方法的樣本抽取；

（4）開展多目標優化設計的數學代理模型構建；

（5）通過NSGA II遺傳算法迭代搜尋最優設計方案；

（6）對最優設計方案和方案進行實驗驗證。

圖3 優化設計流程示意圖

各設計參數與目標參數間敏感性分析如圖4所示：

圖4 敏感性分析示意圖

經上述敏感性分析可知，對目標參量影響最大的設計參數為流道深度Th，以其為主要設計參數和其他設計參數對目標參數影響的響應面示意圖如圖5所示，由此分析方法可得優化各目標參量的設計思路。

圖5 響應面分析示意圖

通過遺傳算法從551組候選設計方案中迭代尋優，具體篩選代理數學模型如下：

最優方案選擇過程如圖6所示：

圖6 最有設計方案尋優過程示意圖

03 實驗驗證

經實驗驗證所得初始與最優設計方案溫度、壓力曲線分別如圖7、圖8所示，經多目標優化設計，電池系統控溫效果、溫度均勻性和功耗均得到有效改善。

圖7各設計方案電池溫度實測曲線示意圖

圖8 各設計方案熱管理系統入口壓力實測曲線示意圖

04 總結

經數值建模與多目標優化設計，可實現多個設計目標間的權衡甚至是同時得到改善。本次研究針對2.5C快速充電工況開展電池系統快充冷卻多目標優化設計，成功實現電池系統溫升、熱一致性和功耗的改善，經實驗驗證誤差在可允許的范圍內，此方法可為電池系統復雜工況下的控制提供設計指導。

審核編輯：湯梓紅