基于遗传算法的电动汽车锂离子电池组空冷系统优化设计
Mohsen Mousavi，Shaikh Hoque，Shahryar Rahnamayan，Ibrahim Dincer，Greg F.Naterer工程与应用科学学院，安大略大学理工学院（UOIT）2000 Simcoe Street North，Oshawa，Ontario L1H 7K4，加拿大
（mohsen.mousavi@uoit.ca，shaikh.hoque@uoit.ca，shahryar.rahnamayan@uoit.ca，ibrahim.dincer@uoit.ca，greg.naterer@uoit.ca）
摘要。摘要。本文研究和优化了影响电动汽车用锂离子电池空冷性能的参数。研究了一种采用聚氯乙烯（PVC）外壳的150个圆柱形锂离子电池组。当车辆静止或行驶时环境空气中使用风扇时，电池组中使用等量的管子作为冷却蓄电池的介质。考虑实际约束条件，对影响电池空冷性能的参数进行了研究和优化。建立了目标函数和传递单元数。最后，采用遗传算法对决策变量进行优化。分析结果表明，增大电池管的直径，保持一定的空气流速，可以使NTU最大化。
关键词：电动汽车；热管理；锂离子电池；空气
冷却，遗传算法，优化
一、引言
21世纪最严重的问题之一是如何应对日益增长的能源和环境需求。就二氧化碳排放而言，作为一个例子，在过去的一个世纪里，二氧化碳的排放量增加了五倍，而且其浓度也在迅速增加。就各部门的石油消耗量而言，运输部门的石油消耗量占总消耗量的一半以上，因此，为了减少二氧化碳排放量，应对这一全球环境问题，需要提高车辆的燃油经济性。因此，电动汽车（EV）、混合动力电动汽车（HEV）和燃料电池混合动力电动汽车（FCHEV）等电动汽车有望成为解决这些问题的关键技术。
锂离子是电动汽车的能源。近年来，锂离子电池的冷却一直是研究人员和汽车制造商关注的焦点，也是电动汽车发展的主要障碍。一个主要的挑战是锂离子电池的热管理。锂离子电池局部温度过高会导致循环寿命缩短，并可能导致单个电池或整个电池组的“热失控”。电池组中的电池紧密包装，为了利用锂离子的高能量和高功率密度的优势，电池的热失控传播并导致整个电池严重故障。更常见的是，模块或组件中的过度或不均匀温升会显著降低其循环寿命。然而，对于商业应用，重要的是不要过度设计冷却系统，并且不必要地使控制硬件复杂化。因此，人们开始关注主动热管理，即需要风机和气流分配的冷却系统，以将温度和电池热分布保持在所需范围内。
本文的主要目的是对电动汽车和锂离子电池以及空气冷却系统进行背景回顾。本文还讨论了电池设计参数和为热管理和优化模型而建立的传热模型。介绍了相应的适应度函数、决策变量和约束条件，并举例说明了优化结果。
二。电动汽车和锂离子电池
电动汽车由电动机驱动，使用电池和超级电容器作为能量储存。蓄电池由电网充电设施充电。电动汽车在运行过程中温室气体排放量为零，可能具有较高的能效。电动汽车的主要缺点是电池尺寸和热管理挑战、充电设施不足、电池寿命低和车辆成本高[1]。图1显示了电动汽车的高级结构。逆变器用于将直流电转换为可变电压和可变频率，为推进电机提供动力。超级电容器通常用于提供补充电源和启动系统。超级电容器，也被称为超级电容器或电化学电容器，利用高表面积电极材料和薄的电解介质，以达到比传统电容器大几个数量级的电容。这样，超级电容器可以获得更大的能量密度，同时仍然保持传统电容器的高功率密度特性[2]。
图1：配备电池组和超级电容器的电动汽车配置（Li等人，2009）
锂离子电池由于其高储能密度和具有竞争力的成本，为其他电池化学提供了一种有吸引力的替代品。然而，锂离子电池在大功率放电时会产生大量的热量。锂离子电池的标称电池电压为3.7伏，而镍金属氢化物电池为1.4伏，铅酸电池为2.1伏，这就转化为显著的能量密度。锂离子电池的工作温度范围也比镍氢电池宽得多[3]。根据电池的化学性质，电池组在充电或放电模式下运行10分钟后，表面温度可升高到90°C。但是，必须将锂离子电池的温度调节在最佳范围内，否则会对锂离子电池的充电性能、电能性能、可靠性、循环寿命、安全性和成本产生不利影响。大多数锂离子电池的工作温度限制在20°C至40°C[16]，其中，由于内阻和极化，通过使用制造商推荐的电压窗口和充放电速率范围，很容易控制发热。恶劣条件下，如高温操作，会急剧加速锂离子电池的热能积累[4]。另一方面，电池的空气冷却为节能和热回收创造了巨大的潜力。这可以通过去除蓄电池中的热量并将其作为热源，在寒冷的天气条件下预热车辆驾驶室来实现。一个典型的锂离子电池，用于电动汽车，重量超过300公斤的小型车辆。考虑到电池在使用过程中的高温，节能潜力巨大。
三、现有锂离子电池冷却技术
电动汽车热管理系统的目标是保持电池组（由寿命和性能权衡决定）的可接受温度范围，电池制造商确定温度分布均匀（或模块之间和电池组内的变化较小）。热管理系统可使用空气进行加热、冷却和通风、液体进行冷却/加热、绝缘、蓄热（如相变材料）或这些方法的组合。热管理系统可以是被动的（仅使用环境环境）或主动的（特殊部件在冷或热温度下提供加热和冷却）[4-6]。
在主动空气冷却中，蓄电池将通过空气进入蓄电池组内部设计的空气通道进行冷却。温度较低的空气可以冷却电池。散热率取决于许多因素，包括电池的化学和物理结构、热量的产生率，而热量的产生率又取决于基于动力总成需求的电池的使用情况、暖通空调需求（包括热负荷和冷负荷）、照明需求等。
在本研究中，锂离子电池的主动空气冷却被认为是一种冷却方式。当车辆空转（不移动）时，外部空气将由离心风扇吸入车辆。风机是一种高耗能设备，本研究的主要目标之一是将风机的功耗降到最低。当车辆行驶时，可能不需要风扇，因为外部空气将通过暖风、通风与空调管道系统内的进风口面板，而进风口系统又可以被引导至蓄电池。在这种情况下，其速度将由空气阻尼器控制。
四、电池设计参数
有许多不同类型的锂离子电池可用于汽车动力应用。本文研究了一种圆柱形锂离子电池。图2说明了圆柱形锂离子电池的结构。
图2：锂离子电池的结构（来源：GM，2007）
如前所述，在车辆运行期间，锂离子电池会被加热。电池化学在电池能够承受的温度水平中起着至关重要的作用，而不会导致性能下降或功能丧失。电池设计中的参数，包括外形尺寸、管道尺寸及其方向、管道数量以及粗糙或光滑，都会显著影响热传导率。对这些参数进行了研究和优化，以获得最佳的传热效果和设计可制造性。
今天的紧凑型电动汽车用锂离子电池组的体积从80000到100000立方厘米，或者80到100升。本研究所用电池的尺寸为L=1.25 m，W=1.0 m，H=0.325 m。电池组有150个锂离子电池。这些电池的直径可以根据电池的功率密度而变化。对于较高的功率密度，直径较小。高密度电池比低功率密度电池更贵。为了冷却电池，我们将在电池内部设计150个管子，当空气通过时冷却电池。设计的目的是使空气通道的直径尽可能小，以便有更多的空间来包装直径较大的电池。图3显示了当前研究中设计和分析的电池组。
图4所示为电池，电池位于管之间。电池将沿气流方向纵向设计。
图4：设计有管子以提高传热率的电池
电池组包装。有许多不同的包装选择，以放置在车内的电池组。锂离子电池的包装是一个主要由车辆安全驱动的决定。大多数制造商将电池组放在车辆后部，即后备箱或后排座椅下面，并放在由许多结构元件包围的车辆中间。在当前的分析中，假设电池可以安全地包装在发动机罩下的车辆前部。这种设计有助于空气从进风口面板流向电池组，从而减少风扇的使用，如图5所示。
管粗糙度。在本研究中，管的内表面被认为是光滑的。为了加强对流换热，管表面通常是粗糙的、波纹状的或鳍状的。通过粗糙表面，管内湍流中的传热量可增加多达400%[7]。粗糙表面也会增加摩擦系数，从而增加风扇的功率需求。在这种情况下，应该对权衡进行评估。电池的表面温度将保持接近恒定，并达到90°C的峰值温度。这将有助于设计冷却系统，使其能够处理最坏的情况。
电池组冷却风扇设计。为了避免额外的成本和更低的功耗，暖通空调系统使用的同一个风扇可以用来冷却蓄电池。该分析将计算与电池设计所用的相同尺寸汽车所需的风扇速度和电池冷却风扇的最低要求。
车辆换气次数（ACH）、CFM和风速计算。假设设计空气交换率或每小时换气次数（ACH）在1.0到3.0之间，窗户关闭，以及
图4：管周围的锂离子电池
图5：位于车辆前部的电池组，以提高传热效率
无机械通风，在循环风机的情况下关闭的窗户每小时1.8至3.7次，在无机械通风的情况下打开的窗户每小时13.3至26.1次，在新风机的情况下关闭的窗户每小时36.2至47.5次。对于没有通风的关闭窗户，旧汽车的ACH将比新汽车高[8]。如前所述，假设风机设置为新鲜空气，在这种情况下，Ach假定为40。中小型轿车的座舱容积为2-3.5立方米[9]。假设座舱容积为2.5立方米，系统的CFM将为59，以全风扇转速下的47.5 Ach为基础。空气速度可通过
（1）
式中，V是空气速度（m/s）；m是车辆暖通空调管道中的空气质量流量（kg/s），rho;是空气密度（kg/m3，随空气温度变化，在本案例研究中是恒定的），A是指定活动区域（如挡风玻璃除霜区域、仪表板通风管道前部等）的管道面积（m2）。
假设车辆内的总有效风管面积为0.03 m2，在所需的20°C座舱温度下，空气密度为1.204 kg/m3。因此，在计算的CFM下，空气质量流量将为0.0395 kg/s。因此，可通过方程式（1）计算通过管道的最大风速，方程式（1）得出v=0.47 m/s。该图将用作蓄电池冷却风扇的最小风速。
电风扇消耗的功率。在较高的速度下，进入车辆空调系统的空气将足以满足所需的通风。但是，当车辆不在移动或以低速移动时，需要一个电风扇从蓄电池组传递热量以吸入外部空气。电风扇消耗的功率从电池获得的热量中扣除，以获得净热增益。电风扇使用的功率是风扇CFM的函数。车内离心式风扇的额定功率约为每cfm 4瓦特。使用电风扇的CFM，风扇的功率使用将为256 W。随着冷却电池组的功率需求的增加，此数量将显著增加。
五、对流传热模型
为了分析热传递，我们做了以下假设：（i）辐射热传递可以忽略不计；（i i）电池芯表面和外壳冷却表面之间的温差可以忽略不计；（i i i）电池的表面温度（ts）是恒定的，在其最大极限为90°C时；（iv）环境温度影响n忽略电池单元温度，（v）空气密度在所有温度下保持恒定，（vi）电池组表面无热传递，以及（vii）电池表面对流传热可忽略不计。
热通量计算。对流换热
电池组的平面可以表示为
（2）
式中h、Ts和Tinfin;分别表示对流换热系数、表面温度和环境温度。利用算术平均温差，管内的对流换热可表示为[7]：
（3）
具有
（4）
这里，Te是管道的出口温度，Ti是入口温度。重要的是要知道TS可能随位置而变化，h可能是位置和温度的函数，然而，为了简单起见，在这种情况下，它们被认为是一致的。如假设中所述，假设ts为常数，在稳定状态下，电池和最大电流消耗ts将为90°C。此外，正如
管状表面，定义为
150*（d*3.14）=471*d（5）
式中，d为管道直径，本研究将对其进行优化。为了计算从电池表面到环境空气的对流换热系数h，采取以下步骤：
雷诺数。雷诺数定义为
（6）
其中v是电池表面的空气速度（m/s），l是电池表面的特征长度（m），v是空气的运动粘度（m/s）。努塞尔数nu计算如下：
（7）
对于0.6le;prle;60，5times;105le;Rexle;107
其中pr是prandtl编号。
根据努塞尔数计算h。下一步是从电池的管状表面计算热通量。这些步骤类似于从表面传热的情况。对于雷诺数（Re），特征长度将是管的直径。对于管道来说，摩擦系数在传热中起着重要的作用。摩擦系数由petukhov方程得出
（8）
3000le;Rele;5*106
在这种情况下，努塞尔数可从Chilton-Colbum类比[7]中获得，如下所示：
（9）
式中，f表示内管壁的摩擦系数，Re表示雷诺数，Pr表示普朗特数。
传输单元数（NTU）。管式传热的一个重要方面是NTU，即传热单元的数量。NTU是衡量传热系统有效性的一个指标。对于ntu=5，te=ts，达到传热极限。少量的NTU意味着更多的热传递机会。NTU计算如下：
（10）
其中NTU为传热单元数，h为传热系数，有效传热面积为质量流量，cp为比热容。
管直径为1英寸的NTU计算示例如表1所示
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资料编号：[1622]
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