CN110941911A - 一种基于正交试验法的锂离子电池的散热仿真优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化方法，其包括以下步骤：S1、获取目标锂离子电池的产热率，建立单体锂离子电池散热结构模型；S2、获取单体锂离子电池散热结构模型中不同因素的散热量；S3、获取待优化目标及其取值范围；S4、将待优化目标的散热量和待优化目标及其取值范围作为正交试验的变量，建立正交表并获取正交结果；S5、基于正交结果，采用多元非线性回归方法将待优化目标和电池温度进行约束，完成基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化。本发明基于正交试验结果，利用多元非线性回归方法，将因素和温度进行约束，可以得出更优的电池温度以及相对应的参数取值，有利于设计更加有效的散热结构。

Description

一种基于正交试验法的锂离子电池的散热仿真优化方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池的散热领域，具体涉及一种基于正交试验法的锂离子电池的散热仿真优化方法。

背景技术

为了使得电池发挥有效的作用，就需要合理的工作温度，因此，电池热管理显得尤为重要。铝材料，由于其高导热性，被大量的用于需要散热的电子设备中。各种分析方法也被广泛的应用于电池散热的分析中，较为普遍的是单一变量法，逐个的分析影响因素对散热的具体作用。

现有的研究成果中，将相变材料和液体冷却相结合，在相变材料中插入水管，通过液体的流动将相变材料中积累的热量快速传递出去，以恢复相变材料的潜热，使相变材料能够继续发挥作用。但是相变材料的导热系数不够，电池体产生的热量不能及时的传导到相变材料中，导致电池的温度仍然较高。同时冷却水带走热量的速率和电池传导热量的速率不易于把握，因此不利于控制电池的温度均匀性。并且单一变量的分析方法具有一定的繁琐性和巧合性，不利于快速的分析出影响因素的具体作用。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于正交试验法的锂离子电池的散热仿真优化方法解决了现有单一变量分析法无法同时分析所有散热部件的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化方法，其包括以下步骤：

S1、获取目标锂离子电池的产热率，并根据目标锂离子电池的结构建立单体锂离子电池散热结构模型；

S2、获取单体锂离子电池散热结构模型中不同因素的散热量；

S3、获取待优化目标及其取值范围；

S4、将待优化目标的散热量和待优化目标及其取值范围作为正交试验的变量，建立正交表并获取正交结果；

S5、基于正交结果，采用多元非线性回归方法将待优化目标和电池温度进行约束，完成基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化。

进一步地，步骤S1的具体方法为：

获取并根据目标锂离子电池中单体电池、铝板、相变材料和冷却水管之间的位置关系建立单体锂离子电池散热结构模型；根据目标锂离子电池的尺寸、密度、比热容和导热系数，将其在5C倍率放电下的产热率作为目标锂离子电池的产热率。

进一步地，步骤S2的具体方法包括以下子步骤：

S2-1、根据公式

Q_B＝m_BC_B(T_B2-T_B1)

获取电池吸收的热量Q_B；其中m_B为电池的重量；C_B为电池的比热；T_B2为电池放电终点的温度；T_B1为电池的初始温度；

S2-2、根据公式

Q_PCM＝m_PCMC_pcm(T_PCM2-T_PCM1)+m_PCMH

获取相变材料融化吸热量Q_PCM；其中m_PCM为相变材料的重量；C_pcm为相变材料的比热；T_PCM2为相变材料的相变温度；T_PCM1为相变材料的初始温度；H为相变材料的潜热；

S2-3、根据公式

获取冷却水管带走的热量Q_W；其中C_W为水的比热；m_W为水的质量；

为温差；ρ_W为水的密度；μ_W为水的流速；π为圆周率；d为冷却水管的直径；T_out为水在出口的温度；T_in为水在进口的温度；

S2-4、根据公式

Q_air＝h_airA_air(T_airf-T_air)

获取自然对流带走的热量Q_air；其中h_air为空气自然对流的传热系数；A_air为电池与空气的接触面积；T_airf为电池表面的平均温度；T_air为空气的温度。

进一步地，步骤S3的具体方法为：

将铝板厚度、水管数量、相变材料的导热系数、质量流量、相变温度和进水温度作为待优化目标；其中铝板厚度的取值范围为0.2-0.6mm；水管数量的取值范围为2-6；导热系数的取值范围为0.4-0.8；质量流量的取值范围为0.0003-0.0008；相变温度的取值范围为35-45℃；进水温度的取值范围为16-20℃。

进一步地，步骤S4的具体方法包括以下子步骤：

S4-1、在待优化目标外增加空列，得到七个待进行正交试验的变量；

S4-2、根据七个待进行正交试验的变量选取L₂₇(3⁸)正交表进行正交试验；

S4-3、获取正交试验中每组试验中单体锂离子电池的最高温度和最大温差，并将其作为正交表的正交结果。

进一步地，步骤S5的具体方法为：

根据公式

F(x)＝αT_max+(1-α)ΔT

建立锂离子电池散热仿真优化目标函数F(x)，根据目标函数获取待优化目标的优化后取值，完成基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化；

其中a₀～a₂₇的取值分别为139.15、0、-7.52、-10、0、1.07、-8.37、4.73、1.18、0、-1.14、2.92、0、0、-0.42、0.18、0、0.56、1.54、-198.36、179.08、1.15、-1.04、-0.58、43.72、0、-0.20和-1.48；

b₀～b₂₇的取值分别为2.90、0、6.37、35.40、0、-0.80、0.26、0.75、0.12、0、0.08、-0.21、0、0、0.33、-0.97、0、0.28、-0.76、277.64、-555.88、-0.08、0.02、-3.5、-25.16、0、0.01和0.15；

x₁、x₂、x₃、x₄、x₅和x₆分别表示水管数量、铝板厚度、导热系数、质量流量、相变温度和进水温度，x₁、x₂、x₃、x₄、x₅和x₆的最优值分别为5.9、0.2、0.42、0.0008、38.56和16.15；α的取值为0.4；其中水管数量x₁取整数为6。

本发明的有益效果为：

(1)本发明在相变材料和液冷散热的基础上，增加了铝板导热。铝板由于其高导热，能够快速的将电池的温度传递给相变材料。这在一定程度上弥补了相变材料导热不高的缺陷。加入了铝板导热的散热结构，在电池的最高温度和最大温差上都有着良好的表现，能够较好的实现电池温度的均匀性。

(2)本发明利用了正交试验法来分析影响电池温度的参数取值。正交试验法可以合理的减少试验次数，并且可以利用极差和方差分析，确定影响电池温度因素的重要性排序以及试验的合理性，可以结合实际情况选择出最优方案，利用效应分析可以对比理论最优值和实际最优值。

(3)本发明基于正交试验结果，利用多元非线性回归方法，将因素和温度进行约束，可以得出更优的电池温度以及相对应的参数取值，对于以后设计更加有效的散热结构有较好的参考意义。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化方法包括以下步骤：

S1、获取目标锂离子电池的产热率，并根据目标锂离子电池的结构建立单体锂离子电池散热结构模型；

S2、获取单体锂离子电池散热结构模型中不同因素的散热量；

S3、获取待优化目标及其取值范围；

S4、将待优化目标的散热量和待优化目标及其取值范围作为正交试验的变量，建立正交表并获取正交结果；

S5、基于正交结果，采用多元非线性回归方法将待优化目标和电池温度进行约束，完成基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化。

步骤S1的具体方法为：

获取并根据目标锂离子电池中单体电池、铝板、相变材料和冷却水管之间的位置关系建立单体锂离子电池散热结构模型；根据目标锂离子电池的尺寸、密度、比热容和导热系数，将其在5C倍率放电下的产热率作为目标锂离子电池的产热率。

步骤S2的具体方法包括以下子步骤：

S2-1、根据公式

Q_B＝m_BC_B(T_B2-T_B1)

获取电池吸收的热量Q_B；其中m_B为电池的重量；C_B为电池的比热；T_B2为电池放电终点的温度；T_B1为电池的初始温度；

S2-2、根据公式

Q_PCM＝m_PCMC_pcm(T_PCM2-T_PCM1)+m_PCMH

获取相变材料融化吸热量Q_PCM；其中m_PCM为相变材料的重量；C_pcm为相变材料的比热；T_PCM2为相变材料的相变温度；T_PCM1为相变材料的初始温度；H为相变材料的潜热；

S2-3、根据公式

获取冷却水管带走的热量Q_W；其中C_W为水的比热；m_W为水的质量；

为温差；ρ_W为水的密度；μ_W为水的流速；π为圆周率；d为冷却水管的直径；T_out为水在出口的温度；T_in为水在进口的温度；

S2-4、根据公式

Q_air＝h_airA_air(T_airf-T_air)

获取自然对流带走的热量Q_air；其中h_air为空气自然对流的传热系数；A_air为电池与空气的接触面积；T_airf为电池表面的平均温度；T_air为空气的温度。

步骤S3的具体方法为：将铝板厚度、水管数量、相变材料的导热系数、质量流量、相变温度和进水温度作为待优化目标；其中铝板厚度的取值范围为0.2-0.6mm；水管数量的取值范围为2-6；导热系数的取值范围为0.4-0.8；质量流量的取值范围为0.0003-0.0008；相变温度的取值范围为35-45℃；进水温度的取值范围为16-20℃。

步骤S4的具体方法包括以下子步骤：

S4-1、在待优化目标外增加空列，得到七个待进行正交试验的变量；

S4-2、根据七个待进行正交试验的变量选取L₂₇(3⁸)正交表进行正交试验；

S4-3、获取正交试验中每组试验中单体锂离子电池的最高温度和最大温差，并将其作为正交表的正交结果。

步骤S5的具体方法为：根据公式

F(x)＝αT_max+(1-α)ΔT

建立锂离子电池散热仿真优化目标函数F(x)，根据目标函数获取待优化目标的优化后取值，完成基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化；

其中a₀～a₂₇的取值分别为139.15、0、-7.52、-10、0、1.07、-8.37、4.73、1.18、0、-1.14、2.92、0、0、-0.42、0.18、0、0.56、1.54、-198.36、179.08、1.15、-1.04、-0.58、43.72、0、-0.20和-1.48；

b₀～b₂₇的取值分别为2.90、0、6.37、35.40、0、-0.80、0.26、0.75、0.12、0、0.08、-0.21、0、0、0.33、-0.97、0、0.28、-0.76、277.64、-555.88、-0.08、0.02、-3.5、-25.16、0、0.01和0.15；

x₁、x₂、x₃、x₄、x₅和x₆分别表示水管数量、铝板厚度、导热系数、质量流量、相变温度和进水温度，x₁、x₂、x₃、x₄、x₅和x₆的最优值分别为5.9、0.2、0.42、0.0008、38.56和16.15；α的取值为0.4；其中水管数量x₁取整数为6。

在本发明的一个实施例中，正交试验表如表1所示。

表1：正交试验表

综上所述，本发明在相变材料和液冷散热的基础上，增加了铝板导热。铝板由于其高导热，能够快速的将电池的温度传递给相变材料。这在一定程度上弥补了相变材料导热不高的缺陷。加入了铝板导热的散热结构，在电池的最高温度和最大温差上都有着良好的表现，能够较好的实现电池温度的均匀性。

本发明利用了正交试验法来分析影响电池温度的参数取值。正交试验法可以合理的减少试验次数，并且可以利用极差和方差分析，确定影响电池温度因素的重要性排序以及试验的合理性，可以结合实际情况选择出最优方案，利用效应分析可以对比理论最优值和实际最优值。

本发明基于正交试验结果，利用多元非线性回归方法，将因素和温度进行约束，可以得出更优的电池温度以及相对应的参数取值，对于以后设计更加有效的散热结构有较好的参考意义。

Claims (6)

1.一种基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取目标锂离子电池的产热率，并根据目标锂离子电池的结构建立单体锂离子电池散热结构模型；

S2、获取单体锂离子电池散热结构模型中不同因素的散热量；

S3、获取待优化目标及其取值范围；

S4、将待优化目标的散热量和待优化目标及其取值范围作为正交试验的变量，建立正交表并获取正交结果；

S5、基于正交结果，采用多元非线性回归方法将待优化目标和电池温度进行约束，完成基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化。

2.根据权利要求1所述的基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化方法，其特征在于，所述步骤S1的具体方法为：

获取并根据目标锂离子电池中单体电池、铝板、相变材料和冷却水管之间的位置关系建立单体锂离子电池散热结构模型；根据目标锂离子电池的尺寸、密度、比热容和导热系数，将其在5C倍率放电下的产热率作为目标锂离子电池的产热率。

3.根据权利要求1所述的基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法包括以下子步骤：

S2-1、根据公式

Q_B＝m_BC_B(T_B2-T_B1)

获取电池吸收的热量Q_B；其中m_B为电池的重量；C_B为电池的比热；T_B2为电池放电终点的温度；T_B1为电池的初始温度；

S2-2、根据公式

Q_PCM＝m_PCMC_pcm(T_PCM2-T_PCM1)+m_PCMH

获取相变材料融化吸热量Q_PCM；其中m_PCM为相变材料的重量；C_pcm为相变材料的比热；T_PCM2为相变材料的相变温度；T_PCM1为相变材料的初始温度；H为相变材料的潜热；

S2-3、根据公式

获取冷却水管带走的热量Q_W；其中C_W为水的比热；m_W为水的质量；

为温差；ρ_W为水的密度；μ_W为水的流速；π为圆周率；d为冷却水管的直径；T_out为水在出口的温度；T_in为水在进口的温度；

S2-4、根据公式

Q_air＝h_airA_air(T_airf-T_air)

获取自然对流带走的热量Q_air；其中h_air为空气自然对流的传热系数；A_air为电池与空气的接触面积；T_airf为电池表面的平均温度；T_air为空气的温度。

4.根据权利要求1所述的基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法为：

将铝板厚度、水管数量、相变材料的导热系数、质量流量、相变温度和进水温度作为待优化目标；其中铝板厚度的取值范围为0.2-0.6mm；水管数量的取值范围为2-6；导热系数的取值范围为0.4-0.8；质量流量的取值范围为0.0003-0.0008；相变温度的取值范围为35-45℃；进水温度的取值范围为16-20℃。

5.根据权利要求4所述的基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化方法，其特征在于，所述步骤S4的具体方法包括以下子步骤：

S4-1、在待优化目标外增加空列，得到七个待进行正交试验的变量；

S4-2、根据七个待进行正交试验的变量选取L₂₇(3⁸)正交表进行正交试验；

S4-3、获取正交试验中每组试验中单体锂离子电池的最高温度和最大温差，并将其作为正交表的正交结果。

6.根据权利要求5所述的基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化方法，其特征在于，所述步骤S5的具体方法为：

根据公式

F(x)＝αT_max+(1-α)ΔT

建立锂离子电池散热仿真优化目标函数F(x)，根据目标函数获取待优化目标的优化后取值，完成基于正交试验法的锂离子电池散热仿真优化；

其中a₀～a₂₇的取值分别为139.15、0、-7.52、-10、0、1.07、-8.37、4.73、1.18、0、-1.14、2.92、0、0、-0.42、0.18、0、0.56、1.54、-198.36、179.08、1.15、-1.04、-0.58、43.72、0、-0.20和-1.48；

b₀～b₂₇的取值分别为2.90、0、6.37、35.40、0、-0.80、0.26、0.75、0.12、0、0.08、-0.21、0、0、0.33、-0.97、0、0.28、-0.76、277.64、-555.88、-0.08、0.02、-3.5、-25.16、0、0.01和0.15；

x₁、x₂、x₃、x₄、x₅和x₆分别表示水管数量、铝板厚度、导热系数、质量流量、相变温度和进水温度，x₁、x₂、x₃、x₄、x₅和x₆的最优值分别为5.9、0.2、0.42、0.0008、38.56和16.15；α的取值为0.4；其中水管数量x₁取整数为6。

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