CN108563910A - 一种基于贪婪算法的动力电池风冷系统流道间距优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于贪婪算法的动力电池风冷系统流道间距优化方法。本发明从均匀流道间距出发，数值求解风冷系统的温度分布，通过分析每个电池的温度，确定最差冷却条件的流道位置和最佳冷却条件的流道位置，然后将前者流道间距增大，后者的流道间距减小；每次进行流道间距调整后，均重新计算系统的温度分布，从而进行下一次的流道间距调整；当流道间距调整次数达到设定的次数，则优化过程中目标函数最优的流道间距布局，就是最终的流道间距优化结果。本发明具有优化过程简单、优化速度快、性能指标好、扩展性好、实用性强等优点。

Description

一种基于贪婪算法的动力电池风冷系统流道间距优化方法
技术领域
本发明涉及一种风冷系统流道间距优化方法，特别涉及一种基于贪婪算法的动力电池风冷系统流道间距优化方法。
背景技术
汽车是工业界的耗能大户，同时也是重要的环境污染源。作为一种缓解能源危机和环境问题的重要手段，动力汽车得到人们的重视。动力电池是动力汽车的能量来源，其性能决定了动力汽车的整车性能。动力电池在工作过程中，内部发生复杂的化学反应而产生大量的热，若这些热量不能被及时带走，动力电池的温度将升高，过高的问题将使电池失效甚至破坏，严重时还会引起电动汽车的燃烧和爆炸；另一方面，电池模块在汽车中的位置差异造成散热条件的差异，将形成局部高温，长时间运行将导致电池组整体性能下降，从而缩短动力电池的使用寿命。因此，需要开发合适的动力电池冷却系统，高效地带走动力电池组在工作过程中产生的热量，使电池在合适的温度范围内工作，保证电动汽车安全可靠地运行。空气冷却方式具有结构简单、成本低等优点，成为了最常用的动力电池冷却方式，而平行流道冷却系统就是常用的动力电池组空气冷却系统。然而，平行流道冷却系统难以保证流道内流量均匀，从而使动力电池的冷却条件产生差异，最终造成电池组存在较大的热点温度和温差。因而，许多学者通过调整系统的结构来改善系统的散热系能。其中一种做法是，通过改变冷却流道间距(电池间距)来提高流道冷却条件的一致性。然而，已有的研究主要局限于对流道间距的简单尝试，一方面不能保证电池冷却系统的体积和功耗，另一方面冷却系统性能提高有限，从而影响了优化方案的实用性。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于贪婪算法的动力电池风冷系统流道间距优化方法。
本发明采用如下技术方案实现。
一种基于贪婪算法的动力电池风冷系统流道间距优化方法，包括如下步骤：
S-1根据风冷系统的总体积设置初始的冷却流道间距为均匀间距，同时给定流道间距调整次数和每次间距调整的大小Δd；
S-2根据冷却流道间距的分布，采用数值方法计算风冷系统的温度场，评估风冷系统冷却流道间距布局优化的目标函数值，将此时的流道间距分布记为最佳流道分布，同时将对应的目标函数值记为最佳目标函数值；
S-3由目前风冷系统温度场确定最差冷却条件的流道编号，将该流道的间距增加Δd；
S-4由目前风冷系统温度场确定最佳冷却条件的流道编号，将该流道的间距减少Δd；
S-5由步骤S-3～S-4，得到新的流道间距布局，针对这一布局，采用数值方法计算系统的温度场，评估该系统的目标函数值；若当前流道布局的目标函数值优于记录的最佳流道布局的目标函数值，则将当前布局记录为最佳流道布局，将当前目标函数值记录为最佳流道布局的目标函数值；
S-6若流道间距调整次数达到设定的次数，停止调整，否则返回步骤S-3。
进一步的，在调整过程开始时，根据风冷系统的体积将流道间距设定为均匀间距。
进一步的，所述的风冷系统流道间距布局优化的目标函数值包括电池组的热点温度、电池的平均温度和电池组的温差等。
电池组的热点温度计算公式为：
其中Tmax为电池组的热点温度，Ti为电池区域离散后第i个位置的温度，N为电池组区域中考察温度的位置数量。
电池的平均温度的计算公式为：
其中Tj,mean为第j个电池的平均温度，Tj,i为第j个电池区域离散后其中第i个位置的温度，Nj为第j个电池区域中考察温度的位置数量。
电池组的温差指电池中最高温度和最低温度之差，计算公式为：
其中ΔTmax为电池组的温差。
进一步的，在流道间距调整过程中，由系统温度场确定最差冷却条件的流道编号的方法如下：假设电池个数为N，则冷却流道个数为N+1，最差冷却条件的流道编号设为nworst，通过系统温度场确定平均温度最高的电池编号为nmax。如果nmax＝1，则nworst＝2；如果nmax＝N，则nworst＝N；如果1<nmax<N且第(nmax-1)个电池平均温度大于等于第(nmax+1)个电池平均温度，则nworst＝nmax；如果1<nmax<N且第(nmax-1)个电池平均温度小于第(nmax+1)个电池平均温度，则nworst＝nmax+1。
进一步的，在流道间距调整过程中，由系统温度场确定最佳冷却条件的流道编号的方法如下：最差冷却条件的流道编号设为nbest。通过系统温度场确定平均温度最低的电池编号为nmin；如果nmin＝1，则nbest＝1；如果nmin＝N，则nbest＝N+1；如果1<nmin<N且第(nmin+1)个电池平均温度大于等于第(nmin-1)个电池平均温度，则nbest＝nmin；如果1<nmin<N且第(nmin+1)个电池平均温度小于第(nmin-1)个电池平均温度，则nbest＝nmin+1。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)优化过程简单：提出的算法在优化过程中，主要有三个关键技术步骤。一是根据已有冷却系统流道间距分布情况计算系统的速度场和电池组的温度分布；二是根据电池组温度分布确定最差冷却条件的流道与最佳冷却条件的流道；三是增大最差冷却条件流道间距，减小最佳冷却条件流道间距。整个优化过程实施简单，不含复杂的计算方法；
(2)优化速度快：算法的主要计算量来自系统速度场和电池组温度场的计算。本发明在优化过程中对冷却流道间距的调整次数较少，因此能在短时间内得到最终流道间距的优化结果；
(3)性能指标好：当增加冷却流道间距时，将减小该流道的沿程阻力，使更多的冷却空气通过该流道；当减小冷却流道间距时，将增大该流道的流动阻力，使通过该流道的冷却空气减少。因此，增大最差冷却条件流道间距，将增加通过该流道的空气流量，提高该流道的冷却能力；减小最佳冷却条件流道间距，将减少通过该流道的空气流量，降低该流道的冷却能力。这样的调整策略有助于实现不同流道冷却能力的一致性，从而降低电池组的热点温度和温差。因此，采用提出的算法可以得到散热性能良好的风冷系统流道间距分布。
(4)扩展性好：本发明的优化准则仅涉及系统的温度场，与风冷系统的结构、冷却空气和电池的物性参数、电池的产热功率无关。因此，所涉及的算法可扩展至类似问题的求解，包括不同导流板角度的风冷系统、非均匀产热和非均匀热导率的电池、不同的冷却空气流量等。
(5)实用性强：与现有技术相比，本发明不需要增加系统体积，也不需要增加系统功耗，仅需调整冷却流道间距的分布，具有较强的实用性，可用于指导电池热管理风冷系统的优化设计，在不增加成本的基础上提高系统的散热性能，达到降低电池组温度和减小电池组温差的目的。
附图说明
图1是实施例中基于贪婪算法的动力电池风冷系统流道间距优化方法的流程图；
图2是本发明实施例的动力电池风冷系统中的单体电池示意图；
图3是本发明实施例的动力电池风冷系统计算区域侧视图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
实施例
本实施例考虑如图3所示的动力电池空气冷却系统，进口尺寸(win)和出口尺寸(wout)均为20mm，电池尺寸为16mm×65mm×151mm，电池个数为12个，形成13个冷却流道间距，通道间距为2mm，电池的热容为900J/(kgK)，密度为2700kg/m3，热导率为240W/(m K)，冷却空气温度为300K，流量为0.012m3/s。采用本发明求解这个电池热管理风冷系统流道间距优化问题，优化目标为电池热点温度最小化。
图1为本实例的流程图，具体步骤如下：
S-1根据风冷系统的总体积设置初始的冷却流道间距为均匀间距，同时给定流道间距调整次数和每次间距调整的大小(Δd)。
S-2根据冷却流道间距的分布，采用数值方法计算系统的温度场，评估该系统的目标函数值，将此时的流道间距部分记为最佳流道分布，同时将对应的目标函数值记为最佳目标函数值；
S-3由目前系统温度场确定最差冷却条件的流道编号，将该流道的间距增加Δd。
S-4由目前系统温度场确定最佳冷却条件的流道编号，将该流道的间距减少Δd。
S-5由步骤S-3～S-4，得到新的流道间距布局，针对这一布局，采用数值方法计算系统的温度场，评估该系统的目标函数值。若当前流道布局的目标函数值优于记录的最佳流道布局的目标函数值，将当前布局记录为最佳流道布局，将当前目标函数值记录为最佳目标函数值。
S-6若流道间距调整次数达到设定的次数，停止调整，否则返回步骤S-3。
本实施例指定的流道调整次数为15次，调整过程停止时，记录的最佳间距布局为最终的流道间距优化布局。
所述的目标函数可以是电池的热点温度最低、电池的最大平均温度最低或者电池的温差最小，相应的计算公式如下。
电池组的热点温度计算公式为：
其中Tmax为电池组的热点温度，Ti为电池区域离散后第i个位置的温度，N为电池区域中考察温度的位置数量。
电池的平均温度的计算公式为：
其中Tj,mean为第j个电池的平均温度，Tj,i为第j个电池区域离散后第i个位置的温度，Nj为第j个电池区域中考察温度的位置数量。
电池组的温差指电池中最高温度和最低温度之差，计算公式为：
其中ΔTmax为电池的温差。
选定优化目标为电池组的最高温度最低，每次间距调整的大小(Δd)为0.1mm。优化前第1～13个流道的间距均为2mm，优化后，第1～13个流道的间距如表1所示。
表1优化后不同流道的间距
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
间距(mm) 1.7 2.0 2.3 2.3 2.1 2.1 2.1 2.1 2 2 2 2 1.3
研究发现，优化前后系统的热点温度分别为314.5K和313.7K，优化后热点温度下降了0.8K；二者的电池组温差分别为5.0K和2.9K，温差减小了42％。另一方面，优化前后系统对应的进出口压差分别为61.8Pa和59.3Pa，二者相近。说明在相同流量情况下，优化后的系统功耗与优化前系统功耗相近。此外，优化过程仅需进行15次系统的速度场和温度场计算。由此可见，该算法能在较短的时间内得到风冷系统流道间距的优化布局。该实例验证了本发明对于动力电池系统流道间距布局优化的有效性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于贪婪算法的动力电池风冷系统流道间距优化方法，其特征在于，包括如下步骤
S-1根据风冷系统的总体积设置初始的冷却流道间距为均匀间距，同时给定流道间距调整次数和每次间距调整的大小Δd；
S-2根据冷却流道间距的分布，采用数值方法计算风冷系统的温度场，评估风冷系统冷却流道间距布局优化的目标函数值，将此时的流道间距分布记为最佳流道分布，同时将对应的目标函数值记为最佳目标函数值；
S-3由目前风冷系统温度场确定最差冷却条件的流道编号，将该流道的间距增加Δd；
S-4由目前风冷系统温度场确定最佳冷却条件的流道编号，将该流道的间距减少Δd；
S-5由步骤S-3～S-4，得到新的流道间距布局，针对这一布局，采用数值方法计算系统的温度场，评估该系统的目标函数值；若当前流道布局的目标函数值优于记录的最佳流道布局的目标函数值，则将当前布局记录为最佳流道布局，将当前目标函数值记录为最佳流道布局的目标函数值；
S-6若流道间距调整次数达到设定的次数，停止调整，否则返回步骤S-3。
2.根据权利要求1所述的一种基于贪婪算法的动力电池风冷系统流道间距优化方法，其特征在于，在调整过程开始时，根据风冷系统的体积将流道间距设定为均匀间距。
3.根据权利要求1所述的一种基于贪婪算法的动力电池风冷系统流道间距优化方法，其特征在于，所述的风冷系统流道间距布局优化的目标函数值包括电池组的热点温度、电池的平均温度和电池组的温差；
电池组的热点温度计算公式为：
其中Tmax为电池组的热点温度，Ti为电池区域离散后第i个位置的温度，N为电池组区域中考察温度的位置数量；
电池的平均温度的计算公式为：
其中Tj,mean为第j个电池的平均温度，Tj,i为第j个电池区域离散后其中第i个位置的温度，Nj为第j个电池区域中考察温度的位置数量；
电池组的温差指电池中最高温度和最低温度之差，计算公式为：
其中ΔTmax为电池组的温差。
4.根据权利要求1所述的一种基于贪婪算法的动力电池风冷系统流道间距优化方法，其特征在于由风冷系统温度场确定最差冷却条件的流道编号的方法如下：假设电池个数为N，则冷却流道个数为N+1，最差冷却条件的流道编号设为nworst，通过系统温度场确定平均温度最高的电池编号为nmax；如果nmax＝1，则nworst＝2；如果nmax＝N，则nworst＝N；如果1<nmax<N且第(nmax-1)个电池平均温度大于等于第(nmax+1)个电池平均温度，则nworst＝nmax；如果1<nmax<N且第(nmax-1)个电池平均温度小于第(nmax+1)个电池平均温度，则nworst＝nmax+1。
5.根据权利要求1所述的一种基于贪婪算法的动力电池风冷系统流道间距优化方法，其特征在于由风冷系统温度场确定最佳冷却条件的流道编号的方法如下：最差冷却条件的流道编号设为nbest；通过系统温度场确定平均温度最低的电池编号为nmin；如果nmin＝1，则nbest＝1；如果nmin＝N，则nbest＝N+1；如果1<nmin<N且第(nmin+1)个电池平均温度大于等于第(nmin-1)个电池平均温度，则nbest＝nmin；如果1<nmin<N且第(nmin+1)个电池平均温度小于第(nmin-1)个电池平均温度，则nbest＝nmin+1。
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