基于响应面法的动力电池侧置冷板仿生结构研究与优化.pdfVIP

摘要

大力发展电动汽车是我国解决能源危机、缓解地球污染的能源战略方案。锂电池作

为电动汽车的供能部件，其可靠性直接影响整车动力性与安全性。在汽车复杂多变的工

况下，动力电池依靠内部化学反应进行供能，而反应速度主要取决于其自身的温度，所

以温度成为了影响汽车续航里程以及安全运行的重要因素。随着电动汽车动力电池能量

密度以及封装技术的快速发展，如何对动力电池进行热量管理成为一个重要课题。本课

题基于实验与仿真计算，对动力电池液冷板进行了设计与优化研究，主要内容如下：

（1）基于传热学，分析了锂电池产热与传热特性。搭建了锂电池产热试验台架，对

电池进行了1C、1.5C、2C和2.5C放电倍率下的温升试验；基于实验数据，计算得到了

电池的动态产热率，并编写了UDF。搭建了电池的三维模型，得到了不同放电倍率下仿

真计算的温度云图。相比实验，误差小于3.87%。

（2）基于课题中的底部冷板，探究了几何结构参数对于冷板压降特性以及模组温

度场的影响。结果表明：几何结构参数的改变对于冷板压降的影响较大，差异达到了

116.21%；模组电池温度场范围处于310K附近，接近锂电池适宜温度上限。

（3）动力电池效率遵循“木桶定律”，为了优化模组温度均匀性，提出了侧置“鱼

骨型”仿生流道冷板，探究了侧置冷板结构参数对于冷板压降和电池温度的影响。结果

表明：侧置冷板的主水道宽度、分水道与主水道夹角大小和冷板入口截面高度对于冷板

压降以及电池温度影响较大。其中冷板入口截面高度影响最为明显：高度从1mm增大到

3mm时，电池平均温度降低了1.2K。综合比较后筛选出了分水道数量、分水道与主水道

夹角大小、冷板入口截面高度和主水道宽度作为响应面优化的输入参数。

（4）基于响应面优化算法，通过设计实验、ANOVA分析并进行响应面寻优，得到

了最大值为3.72。重建模型，仿真结果计算得到的值为3.83，与响应面方程寻优

结果误差为2.96%。优化后的冷板压降降低了89.03%，电池平均温度和电池单体温差分

别降低了1.24K和0.17K。基于模组进行了仿真计算，优化后模组电池最高温度降低了

1.97K，模组电池温差降低了0.68K。

（5）基于优化模型制作了铝制冷板实物，搭建了液冷实验台架。2.5C放电结束时，

实验与仿真结果误差仅为0.0046%。另外，在高、低温的环境下，进行了高倍率的充电

温升试验，证明了该冷板作用下电池能够正常工作。综上，侧置仿生冷板实现了较好的

优化效果，达到了预期目标。

关键词：侧置冷板；微通道；响应面优化；热管理

Abstract

Vigorouslydevelopingelectricvehiclesisourenergystrategyplantosolvetheenergy

crisisandalleviatethepollutionoftheearth.Asacomponentofelectricvehicle,thereliability

oflithiumbatterydirectlyaffectsthepowerandsafetyofthevehicle.Inthecomplexand

changeableworkingconditionsofthevehicle,thepowerbatteryreliesoninternalchemical

reactionstosupplyenergy,andthereactionspeedmainlydependsonitsowntemperature,so

thetemperaturehasbecomeanimportantfactoraffectingthedrivingrangeandsafeoperation

ofthevehicle.Withtherapiddevelopmentofpowerbatteryenergydensityandpackaging

technology,howtoma