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并联风冷电池组热管理系统的优化策略
Abstract：Battery thermal management system (BTMS) is essential for heat dissipation of the battery pack to guarantee the safety of electric vehicles. Among the various BTMSs, the parallel air-cooled system is one of the most commonly used solutions. In this paper, the configuration of the battery pack in parallel air-cooled BTMS is optimized through arranging the spacings among the battery cells for cooling performance improvement. The flow resistance network model is introduced to calculate the velocities of the cooling channels. The heat transfer model is used to calculate the battery cell temperature. Combining these two models, an optimization strategy is proposed to optimize the configuration of the battery pack under the constant cell heat generation rate. The numerical results of typical cases show that the optimization strategy can obtain the final solution in only several times of adjustments of cell spacings. The cooling performance of the BTMS is improved remarkably after optimization. The maximum temperature difference is reduced by 42% and the maximum temperature of the battery pack is reduced slightly after optimization, with no increment on the total pressure drop of the system. Furthermore, the optimized BTMS still performs much better than the original one for various inlet flow rates and for the situation of unsteady heat generation rate.
摘要：电池热管理系统（BTMS）对于合理解决电池组的散热问题保证电动车辆的安全至关重要，在各种电池热管理系统中，平行风冷系统是最常用的解决方案之一。在本文中，并联风冷电池热管理系统中的电池组的配置通过布置电池单元之间的间距以优化冷却性能而得到优化。引入流阻网络模型来计算冷却通道的速度。传热模型被用来计算单一电池的温度。结合这两种模型，提出了一种优化策略，以在恒定的电池发热率下优化电池组的配置。典型案例的数值结果表明，优化策略只需几次调整单元间距即可获得最终解决方案。优化后BTMS的冷却性能显着提高。最大温度差减少42％，优化后电池组的最高温度会稍微降低，系统总压降不会增加。此外，对于不同的入口流量和不稳定的发热率情况，优化的BTMS仍然比原来的好得多。
Keyword: Battery thermal management Air cooling Configuration optimization Flow resistance network model Heat transfer model
关键字：电池热管理 风冷 配置优化 流阻网络模型 传热模型
- 背景介绍
近年来，电动车（EV）和混合动力电动车（HEV）引起了全世界的关注，被认为是缓解能源短缺和环境污染问题的有效途径之一。 在EV和HEV中，电池组是电源最关键的组件之一。 当车辆工作时，电池组产生大量的热量。 如果热量不能快速排出，系统温度会迅速升高，最终损坏电池组甚至导致系统爆炸。 此外，局部高温会增加电池组的温差，这将缩短电池组的使用寿命。因此，需要进行热管理以确保电池组在适当温度的情况下工作。
现在已经开发出许多热管理技术来控制EV和HEV中的电池组的温度，包括空气冷却，液体冷却，相变材料冷却[1]，热管冷却[2-4]和冷板冷却[5- 8]，由于冷却系统的低成本和简单的结构，空气冷却是最常用的方法之一。
在风冷式电池热管理系统（BTMS）中，冷却空气被泵入系统并去除电池单元产生的热量。 BTMS的冷却性能取决于气流分布，这受系统结构的影响，许多学者试图通过改变BTMS的结构来提高系统的冷却性能，Pesaran等人设计了一种带单宽分段和双宽分段的空冷BTMS。 所提出的系统有助于均匀地将气流输送到每个电池模块以实现均匀的温度分布。 随后，Pesaran等人[10]采用有限元方法分别研究了连续通风冷却和平行通风冷却BTMS的性能，发现并联通风冷却系统比串联通风冷却系统表现得更好，这是由于电池单元周围的气流更均匀。 采用平行风冷后，电池组的最高温度降低了4℃，温差降低了10℃。Mahamud等人[11]使用往复式气流来改善BTMS的冷却性能。与单向流动情况相比，往复流动将电池组的温差降低约4％，最大电池温度降低1.5％，往复时间为120秒。余教授等人通过将串联通风冷却与平行通风冷却相结合，降低了系统的温度和温度差异[12]。王教授等人 [13]比较了电池模块的冷却性能与各种电池排列结构，包括矩形排列，六角排列和圆形排列。 还研究了风扇位置对系统性能的影响，孙教授等人[14]研究了U型流BTMS的性能，其入口和出口位于同一侧。仿真结果表明，通过使用锥形上部冷却管道，电池组中的电池单元的最大温度变化可以提高约70％。随后孙教授等人[15]研究了Z型流动的BTMS的性能，其入口和出口位于相对侧。 通过使用锥形入口和出口导管，电池单元的温度变化可以显着降低。 在不增加电池组高度的情况下，电池组的温度均匀性可以通过添加放置在主出口管道的相对侧上的两个辅助出口管道来进一步改进。 Park[16]也将BTMS与U型流的冷却性能与Z型流的冷却性能进行了比较。
对于固定电池排列结构，电池单元之间的电池间间隔分布（电池组的结构）是影响冷却通道中速度均匀性的关键因素，并且最终确定电池组中的电池单元的温度差。因此，也广泛研究了单元间距对BTMS冷却性能的影响。 荀教授等人 [17]发现，增加冷却通道的尺寸可以提高冷却能量效率，但会导致更不均匀的温度分布。 Yong教授等人 [18]开发了一个集中热模型来研究单元间距对长方体锂离子电池系统性能的影响。结果表明，在确定气流速率时，随着电池间距增加，电池温度升高。 范教授等人[19]研究了电池单元间不均匀间隙的影响。 结果表明，不均匀的间隙间距显着影响温度分布，但不影响电池组的最高温度。 赵教授等人[20]使用数值方法研究了相邻单元之间的间隔距离与单元直径之比对冷却性能的影响。 结果表明，随着电池直径的增加，该比例的合适值降低。
现有研究表明，BTMS的冷却性能受电池组配置的强烈影响。在本文中，通过在电池单元之间布置间隔来进行并联风冷BTMS中的电池组的配置优化，以提高冷却性能。引入流阻网络模型计算冷却通道内的速度。传热模型用于计算电池单体温度。在分析BTMS特性的基础上，结合两种简化模型，提出了优化电池组优化策略，以达到降低电池最大温度的目的。一个典型的案例被用来测试所提出的并联风冷BTMS电池组优化策略的有效性。优化的BTMS的性能通过三维计算流体动力学计算来评估，并且与原始BTMS的性能相比较来得出最终结果。
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计算方法
- 并行风冷BTMS的配置优化说明
平行风冷BTMS是最常用的BTMS之一。图1描述了平行风冷BTMS的结构。该系统包含带N M长方体电池的大型电池组。图2示出了电池单元和电池组的示意图。系统工作时，电池组为车辆提供动力并产生大量热量。同时，冷却空气从入口流入系统，并通过分歧增压室（DP）分配到冷却通道（CC）中。然后，由电池单元产生的热量通过冷却通道中的气流被去除。在CC的末端，空气通过收敛充气室（CP）会聚，并通过出口排出。电池组的温度分布主要取决于冷却通道中的气流分布。适当的气流分布会导致电池组的最高温度低。请注意，电池组的配置，特别是电池单元之间的间距将强烈地决定冷却通道的压力损失，最终影响冷却通道中的气流分布。因此，通过布置电池组的配置，期望降低电池组的温度并且提高BTMS的冷却性能。
在本文中，通过在电池单元之间选择适当的间距来优化并联风冷BTMS的配置，目的是降低电池组的最高温度。 优化问题描述如下
s.t.
其中 是电池组的最高温度，di是 电池组的第1行和第i行之间的间距。 通常，根据车辆的设计，BTMS的总体积是有限的。 di的总和为常数的约束可以保证优化后的BTMS将不会占用比原来更多的空间。
(b)BTMS的侧视图
(a)BTMS的正视图
图1.平行风冷BTMS的示意图（convergence plenum为全部收敛，divergence plenum为全部发散）
（a）单个电池
（b）电池组
冷却道
图2.电池组的示意图
当优化电池单元之间的间距时，应该计算BTMS的速率分布和温度分布以评估电池单元的最大温度，计算流体动力学（CFD）方法是计算速度分布和温度分布的有效方法。 对于CFD方法，计算域被分成细网格，并且可以获得每个网格的详细信息。 但是，CFD计算花费了大量的计算时间。 在配置优化过程中，需要进行多次计算，并且计算域应该重新划分为每个计算的网格。 操作繁琐，总计算成本不在可接受范围之内。 因此，需要具有足够精度的快速计算的简化模型用于并联风冷BTMS的气流和温度计算。
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- 流阻网络模型
图3.流阻网络模型示意图
在本研究中，刘教授等人开发的流阻网络模型 [21]被引入用于BTMS的气流计算。 当空气沿着通道流动时，存在空气与沿通道的通道壁之间的摩擦造成的压力损失。 这种压力损失称为摩擦压力损失。 当空气遇到弯道时，存在由于通道横截面形状变化而引起的压力损失。 这种压力损失被称为局部压力损失。 流阻网络模型的基本思想是将压力损失视为流阻。 因此，三维空气冷却BTMS可以等价于二维流阻网络，如图3所示。在图3中，方块代表每个节段的总压力，包括摩擦压力损失和局部压力损失。根据刘教授等人在研究中基于伯努利方程的分析，对于图3中虚线框所示的回路，压力损失方程为[21]
是总压力损失。 DP，CC和CP分别代表分歧充气室，冷却通道和收敛充气室。 i代表第i部分。 总压力损失包括局部损失和摩擦损失，表示为
其中：
其中U是通道的横截面平均速度，在下面的内容中被称为短速度。 n和k分别是局部损失系数和无量纲摩擦系数。 q是空气密度。 l和D分别是段的长度和当量直径。
局部损失系数（）取决于系统中的局部几何形状和局部流动状态。 根据巴塞特等人的研究。 [22]中，可以通过计算
其中q是分支通道中的气流与主通道中的气流的比率。 w是增压室与冷却通道的横截面积比。
摩擦系数（）取决于气流的状态，表示为
其中F是形状因子，对于矩形横截面通道，其等于0.89。 Re是局部雷诺数，表示为，其中是空气的动力学粘度
在空气冷却的BTMS中，气流的速度远小于声速，所以空气被假定为不可压缩流体，并且每个分支点和每个收敛点处的空气流速被节省。 根据质量守恒定律，可以得到以下表达式：
其中Q0是进气流量。 A是通道的平均横截面积。 在流阻网络模型中，有个未知变量（ 和）。公式。 （3）提供（）个独立的方程，和方程（12） - （14）提供了个独立的方程。 因此，在给定BTMS的结构参数和进气流量时，可以通过求解流阻网络模型来计算冷却通道内的气流速度。
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- 传热模型
图4. 电池表面和空气表面传热的示意图
刘教授等人基于通过求解流阻网络模型的气流速度，提出了一个瞬态热传递模型[21]来计算随时间变化的圆柱形电池单元温度。 类似于刘教授
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