CN108879020A - 单体电池散热冷板结构的优化方法 - Google Patents

单体电池散热冷板结构的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电动汽车锂电池领域，具体是单体电池散热冷板结构的优化方法，单体电池散热冷板结构的优化方法：1)建立单体电池模型；2)在单体电池模型相对两侧面建立冷板模型；3)以算数平均温度和温度标准差为优化目标，调节冷板的冷却管中冷质的参数；4)当单体电池达到预期温度分布时，调节冷板模型材料用量到60％‑90％。当以温度方差为优化目标，冷板材料用量在90％以上时，单体电池在不影响整体散热效果的情况下，达到最佳的温度均匀性；当以平均温度为优化目标下，即使材料用量为60％以上也能满足电池的散热要求，可大大较少材料用量。

Description

单体电池散热冷板结构的优化方法
技术领域
本发明属于电动汽车锂电池领域，具体是单体电池散热冷板结构的优化方法。
背景技术
传统的内燃机汽车采用汽柴油等石油燃料作为动力源，而这些燃料为不可再生能源，而且石油燃料的储量有限，总有消耗完的一天。而电动汽车以电能作为动力源，电能作为二次能源，电动汽车排放低，甚至可以实现零排放，可以大大减少对环境的污染。
电动汽车的动力核心为动力电池组。显然作为电动汽车动力来源的电池技术发展是制约电动汽车发展的重大影响因素。锂离子电池作为动力电池的一种，一般把锂合金金属氧化物作为正极材料，石墨为负极材料，使用非水电解质的电池，但是锂电池在充放电过程中，由于焦耳热，反应热等的存在，会产生大量的热量，由于布置空间限制，容易造成散热条件较差，而引起电池组热量的累积，导致温度上升。如果不采取一定散热措施，会导致电池各方面性能的下降，更严重情况下，将导致电池温度失控，可能引起电池组起火，严重威胁到司乘人员安全。锂离子动力电池模块、结构、散热方式等硬件的设计和电池热管理逻辑的算法设计对电池的温度会有很大的影响，但是现在还没有一种较好的对电池散热结构进行优化设计，提高单体电池之间温度的均匀性和一致性的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单体电池散热冷板结构的优化方法以及单体电池散热冷板结构，以期望解决目前还没有一种较好的单体电池散热冷板结构的优化方法的问题。
为了实现上述目的，提供了一种单体电池散热冷板结构的优化方法，包括以下操作步骤：
1)向计算机模拟系统输入相关参数建立单体电池模型；
2)向计算机模拟系统输入相关参数，在单体电池模型相对两侧面建立冷板模型；
3)向计算机模拟系统输入参数，以算数平均温度和温度标准差为优化目标，调节冷板的冷却管中冷质的参数；
4)当单体电池达到预期温度分布时，调节冷板模型材料用量到60％-90％。
申请人发现对比算数平均温度在平均温度指标上的效果相差很小，而以温度标准差为优化目标下，整体温度最为均匀，但是平均温度相对较高。选取算数平均温度和温度标准差为优化目标进行对比，以找出最为合适电池散热的冷板结构设计。
当以温度方差为优化目标，冷板材料用量在90％以上时，单体电池在不影响整体散热效果的情况下，达到最佳的温度均匀性；当以平均温度为优化目标下，即使材料用量为60％以上也能满足电池的散热要求，可大大较少材料用量。所述在采用本优化方法，并将冷板材料用量设置在60％-90％时，能建立在温度均匀性和一致性表现优异的单体电池。
进一步的是，在进行计算机模拟时，采用变密度法来确定建立的单体电池模型。
拓扑优化方法的选择，可分为连续体优化和离散结构优化，上述的连续体拓扑优化方法主要有变密度法均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法和水平集方法。上述的变密度法来确定材料的模型，得到最佳的材料的使用率。
进一步的是，在进行计算机模拟中对电池模型进行求解计算时，选采用移动渐近线法对变密度电池模型进行求解计算。
求解计算的方法还包括数学规划法，准则法和移动渐进线法。这样采用移动渐进线法是为了将隐式优化问题转化成可分离的显示严格凸的近似子优化问题，每一步迭代中采用梯度类算法求解子优化问题并设计新的变量，即能够对单约束单目标进行求解，同时，也能对多约束多目标问题进行较为准确的求解，对于复杂的拓扑问题有着更好的适用性。
进一步的是，在进行计算机模拟时，采用CFD方法模拟单体电池、冷板结构的冷却液的温度场及流场情况。
CFD，英语全称(Computational Fluid Dynamics)，即计算流体动力学,是流体力学的一个分支，简称CFD。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。
进一步的是，在进行计算机模拟时，采用变密度法及插值模型，引进密度介于0和1之间的材料，将的值从0或1松弛为0到1之间的连续函数，使密度处于中间值的占用体积的材料的密度向0和1靠拢，达到最佳的材料使用率，建立了材料模型。
进一步的是，在进行计算机模拟时，单一考虑稳态传热，采用第一类边界条件，给定边界上节点的温度值，通过控制方程构造出温度场的泛函，确定目标函数后即可得到拓扑建立的数学模型。
稳态传热，是指传热系统中各点的温度仅随位置而变化，不随时间而改变，这种传热过程称为稳态传热。第一类边界条件，即在热力学中，第一类边界条件的表述为：将大平板看成一维问题处理时，平板一侧温度恒定。
拓扑优化同时针对散热结构只考虑了热传导，不考虑对流传热和辐射换热，把整体看作稳态传热过程，以保证优化质量的同时保证较高的优化效率。
进一步的是，在进行计算机模拟中，算数平均温度和温度标准差为建立目标时，高导热材料的体积分数作为约束条件。
进一步的是，在进行计算机模拟时，对电池模型进行网格划分定义边界条件后，冷板结构和电池之间采用热耦合边界处理。
进一步的是，在进行计算机模拟时，通过流体控制方程对建立的单体电池模型和设置的求解边界条件进行计算，并且计算时采用数值模拟软件comsol进行。
本发明还提供了一种单体电池散热冷板结构，包括至少两个用于贴敷在电池板面上的冷板，上述冷板内置有成盘管或弯管状的冷却水管。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的单体锂电池设计优化计算流程图
图2为本发明的单体锂电池示意图；
图3为本发明的单体锂电池与散热冷板结构的截面示意图；
图4为本发明的散热冷板结构在各材料用量下的温度特征对比折线图；
图5为本发明的散热冷板结构在各材料用量下的温方差对比折线图；
图中标记为：1-冷板；2-单体电池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
一种单体电池散热冷板结构的优化方法，包括单体电池2模型的建立，拓扑优化方法的选择，计算算法的选取，优化目标的确定以及计算仿真模拟。
主要步骤为：
1)向计算机模拟系统输入相关参数建立单体电池模型；
2)向计算机模拟系统输入相关参数，在单体电池模型相对两侧面建立冷板模型；
3)向计算机模拟系统输入参数，以算数平均温度和温度标准差为优化目标，调节冷板的冷却管中冷质的参数；
4)当单体电池达到预期温度分布时，调节冷板模型材料用量到60％-90％。
申请人发现对比算数平均温度在平均温度指标上的效果相差很小，而以温度标准差为优化目标下，整体温度最为均匀，但是平均温度相对较高。选取算数平均温度和温度标准差为优化目标进行对比，以找出最为合适电池散热的冷板结构设计。
如图1-5，在实践操作步骤中，具体包括以下操作步骤：
1)通过comsol软件建立电池2的几何模型(如下表)，生成网格、设置并指定边界条件；本实施方式以磷酸铁锂方形电池为研究对象，上述的单体电池2模型的建立是因为磷酸铁锂具有更好的高温性能，同时制造材料中不含有稀缺金属，成本相对便宜，同时循环寿命相对较长，根据相关的参数建立等尺寸模型，在单体电池2模型的两面紧贴铝制冷板作为散热结构，划分好网格设置好相应的边界条件；冷板1的尺寸厚度可以设置为1mm。
参数 数值
尺寸 167*102*9.5
质量 275g
标称电压 3.2V
充电电压 3.65V
放电终止电压 2.5V
额定容量 10Ah
自然对流时：设置边界条件时考虑到边界条件是指物体边界上热特征与环境的相互关系，通常有边界换热系数，温度，热流密度等指标，对于本次单体电池2的边界条件，由于该单体电池2位于电池模块内部，所以热辐射量可近似的认为是0，而单体电池2周围存在空气，我们可以认为电池表面和空气存在的一定的热量交换，查资料可知，其表面对流换热系数在，外界温度为303K。由于电池各部位发热量不同，所以我们采用3组热源对电池各个部分进行分别加载。正极极耳内阻为0.1mΩ，其2C放电条件下生热率为40000W/m3，负极极耳内阻为 0.052mΩ，计算可得生热率为20800W/m3，对于电池内部的电阻，由于该内阻随着温度和 SOC而变化，通过求平均得到内阻为0.036mΩ，计算出电池内部生热率为8520W/m3。之后将这些数据加载入comsol中进行电池稳态温度场计算。
散热结构模型、边界条件：将一块1mm厚度的铝制冷板1紧贴于单体电池2的两面，冷板1吸收电池产生的热量后，通过冷板1底部的冷面将温度传递给冷却液。对该模型进行网格划分后定义边界条件，冷板1和电池之间采用热耦合边界处理，冷板1底部设置为恒定温度303K，其余部分与单体电池2自然冷却一样。可建立起以下热平衡方程：
其中，λ为材料的导热系数；
q为内热源的强度；
x,y,z分别为三维坐标下的三方向的分量；
T为温度向量。
令初始条件为
T0＝T(x，y，z) (2)
采用第一类边界条件，即给定边界上节点的温度值，即可通过控制方程构造出温度场的泛函，确定目标函数后即可得到拓扑优化的数学模型。
其中，n为设计变量中的单元个数；
T为节点温度向量；
K为热传导矩阵；
Q为热载荷矩阵；
Vi为单元i的体积；
V为总体积；
为设计最大体积。
2)进行拓扑优化即散热结构优化；这里采用变密度法来确定材料的电池模型；拓扑优化才采用的连续拓扑优化的方法中的变密度法来确定所需的材料模型，将各个单元的有无转化为设计变量，之后设计目标函数以确定各个单元的有无，以得到一个合理且有效的设计，拓扑优化同时针对散热结构只考虑了热传导，不考虑对流传热和辐射换热，把整体看作稳态传热过程；
3)流场解算，即对电池模型进行求解计算，通过流体控制方程对建立的单体电池模和设置的求解边界条件进行计算；这里采用数值模拟软件comsol进行；这里采用高导热材料的体积分数作为约束条件；这里选采用移动渐近线法对变密度电池模型进行求解计算；采用移动渐进线法是为了将隐式优化问题转化成可分离的显示严格凸的近似子优化问题，每一步迭代中采用梯度类算法求解子优化问题并设计新的变量，即能够对单约束单目标进行求解，同时，也能对多约束多目标问题进行较为准确的求解，对于复杂的拓扑问题有着更好的适用性；这里单一考虑稳态传热，采用第一类边界条件，给定边界上节点的温度值，通过控制方程构造出温度场的泛函，确定目标函数后即可得到拓扑优化的数学模型；
在使用comsol进行优化计算前必须输入控制变量、积分目标以及约束条件。采用SMIP 变密度法进行的拓扑优化，可变密度函数ρdesign作为控制变量，在每个单元内其值都可在0-1 之间浮动。材料模型就可由如下函数表示：
λ(x)＝ρ(x)pλ0 p＞1 (5)
其中，λ0为材料给定的弹性模型；
ρ(x)为密度函数，其值位于0-1之间；
p为惩罚因子。
3.1、控制变量
采用SMIP变密度法进行的拓扑优化，可变密度函数ρdesign作为控制变量，在每个单元内其值都可在0-1之间浮动。
拓扑材料上的热导率表示为
λ(x)＝λAl·ρdesign(x)5 (6)
将该函数作为冷板材料的导热系数加载入comsol。
3.2、积分目标
优化以电池体温度方差为积分目标，通过MMA算法(移动渐近线法)，找出该积分目标的最小值，即温度方差最小，电池温度最均匀的情况。
3.3、积分不等式约束
本次进行拓扑优化的目的是找出有较好的散热效率的冷板结构，同时减少冷板1的体积和质量。所以本次约束的目标是冷板1的质量约束。冷板的质量可由如下公式计算：
其中，ρdesign(x)为冷板各单元密度；
Vx为冷板各单元的体积。
以电池体温度方差为积分目标，冷板的质量约束为约束目标，改变对冷板质量的约束，设置90％，80％，70％，60％这四种情况分别对冷板进行拓扑计算，适当调整以上约束和目标函数的表达，以保证与comsol内置函数的匹配，并设置最大迭代步数为1000步，即可使用 comsol对冷板结构进行拓扑优化。
4)以算数平均温度和温度标准差为优化目标，并对算数平均温度和温度标准差为优化目标得出的优化方案进行对比，对数据进行提取，进行可视化分析、数据可信度分析；
上述优化目标的确定一般包括最小散热弱度，温度标准差和平均温度梯度，以散热弱度为目标，对比算数平均温度在平均温度指标上的效果相差很小。而以温度标准差为优化目标下，整体温度最为均匀，但是平均温度相对较高。选取算数平均温度和温度标准差为优化目标进行对比，以找出最为合适电池散热的冷板结构设计。
4.1、算数平均温度
其中，n为节点数；
T(i)为节点温度值。
4.2、温度标准差Tb
由于冷板体积的减少，造成电池主体部分最高温度略有上升，同时也可以看到各材料用量下最高温度始终出现在正极极耳上，而最低温都出现在电池左侧的底部附近，各材料间温度梯度发散的趋势类似，这与各材料下冷板的类似结构密不可分。100％的材料用量和60％的材料用量对比，平均温只差了0.6K。而且，最高温也只上升了1.92K，所以整体效果要好于以温度方差为目标的电池冷板拓扑。
对比温度方差和平均温度的优化目标的两种拓扑方案，在最高温和平均温度的对比中，以平均温度为优化目标的拓扑方案更加有效，特别是70％和60％材料用量下，以方差为优化目标已经不能保证单体电池温度在5K的范围要求，而以平均温度为目标的拓扑优化方案却可以轻松做到。如果采用60％的材料用量，以平均温度为目标的冷板拓扑结构可以在满足电池散热要求的前提下，减少冷板材料的用量，这对散热结构的轻量化设计提供了一个节约用材的可行的方案。
而对比两者的温度方差发现在80％和90％的材料用量下，以温度方差为目标的拓扑更加有效，甚至在90％的用量下，其温度的均一性要比100％材料用量冷板结构还要好，所以拓扑结构对温度的均一性有着一定的作用。所以在冷板散热结构的设计中，通过适当的采用拓扑优化的方法，可以找到一个电池最大温升，均一性及其轻量化的平衡点。
5)得出最优单体电池散热冷板结构方案。
本发明基于变密度法的拓扑原理及方法，使用COMSOL有限元软件，分别建立以平均温度和温度方差为目标，以冷板材料用量为约束的单体电池散热拓扑优化模型。比较后发现，当以温度方差为优化目标，冷板材料用量在90％以上时，单体电池在不影响整体散热效果的情况下，达到最佳的温度均匀性；当以平均温度为优化目标下，即使材料用量为60％以上也能满足电池的散热要求，可大大较少材料用量，大大增加了此拓扑优化设计的可行性。
上述的方法步骤中，采用CFD方法模拟单体电池、冷板结构的冷却液的温度场及流场情况。
上述的方法步骤中，建立材料模型时采用变密度法及插值模型，引进密度介于0和1之间的材料，将的值从0或1松弛为0到1之间的连续函数，使密度处于中间值的占用体积的材料的密度向0和1靠拢，达到最佳的材料使用率，建立了材料模型。
上述的方法步骤中，对电池模型进行网格划分定义边界条件后，冷板结构和电池之间采用热耦合边界处理。
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.单体电池散热冷板结构的优化方法，其特征在于：依次包括以下操作步骤：
1)向计算机模拟系统输入相关参数建立单体电池模型；
2)向计算机模拟系统输入相关参数，在单体电池模型相对两侧面建立冷板模型；
3)向计算机模拟系统输入参数，以算数平均温度和温度标准差为优化目标，调节冷板的冷却管中冷质的参数；
4)当单体电池达到预期温度分布时，调节冷板模型材料用量到60％-90％。
2.如权利要求1所述的单体电池散热冷板结构的优化方法，其特征在于：在进行计算机模拟时，采用变密度法来确定建立的单体电池模型。
3.如权利要求2所述的单体电池散热冷板结构的优化方法，其特征在于：在进行计算机模拟中对电池模型进行求解计算时，选采用移动渐近线法对变密度电池模型进行求解计算。
4.如权利要求1所述的单体电池散热冷板结构的优化方法，其特征在于：在进行计算机模拟时，采用CFD方法模拟单体电池、冷板结构的冷却液的温度场及流场情况。
5.如权利要求1所述的单体电池散热冷板结构的优化方法，其特征在于：在进行计算机模拟时，采用变密度法及插值模型，引进密度介于0和1之间的材料，将的值从0或1松弛为0到1之间的连续函数，使密度处于中间值的占用体积的材料的密度向0和1靠拢，达到最佳的材料使用率，建立了材料模型。
6.如权利要求1所述的单体电池散热冷板结构的优化方法，其特征在于：在进行计算机模拟时，单一考虑稳态传热，采用第一类边界条件，给定边界上节点的温度值，通过控制方程构造出温度场的泛函，确定目标函数后即可得到拓扑建立的数学模型。
7.如权利要求1所述的单体电池散热冷板结构的优化方法，其特征在于：在进行计算机模拟中，算数平均温度和温度标准差为建立目标时，高导热材料的体积分数作为约束条件。
8.如权利要求1所述的单体电池散热冷板结构的优化方法，其特征在于：在进行计算机模拟时，对电池模型进行网格划分定义边界条件后，冷板结构和电池之间采用热耦合边界处理。
9.如权利要求1所述的单体电池散热冷板结构的优化方法，其特征在于：在进行计算机模拟时，通过流体控制方程对建立的单体电池模型和设置的求解边界条件进行计算，并且计算时采用数值模拟软件comsol进行。
10.单体电池散热冷板结构，其特征在于：包括至少两个用于贴敷在电池板面上的冷板，所述冷板内置有成盘管或弯管状的冷却水管。
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