基于DFSS的電池包散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔣福平，陳曉康，萬浩，王臨茹，殷悅

基于DFSS的電池包散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔣福平，陳曉康，萬浩，王臨茹，殷悅

（泰州學(xué)院 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

電池包散熱設(shè)計(jì)是電池包產(chǎn)品開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，與系統(tǒng)相匹配的散熱設(shè)計(jì)可以使電池單體工作在適宜的溫度環(huán)境中，提高電池的性能及使用壽命。文章在電池包散熱設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)用DFSS工具來優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過運(yùn)用田口正交實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)風(fēng)扇安裝位置、流道寬度、風(fēng)扇風(fēng)速、進(jìn)氣溫度四個(gè)控制因子進(jìn)行不同水平的組合試驗(yàn)。根據(jù)響應(yīng)的信噪比和Mean值，得出影響響應(yīng)的顯著因子，預(yù)測出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。最后，通過CFD仿真驗(yàn)證，確定最優(yōu)方案能夠滿足項(xiàng)目要求。

電池包；DFSS；溫升；溫差

前言

電池包在工作過程中，電池單體會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果集聚的熱量不能及時(shí)從電池包內(nèi)排出，將極大地影響電池包的安全性與可靠性，甚至出現(xiàn)起火爆炸等極端情況。另外，單體電池長期處于溫差過大的工作狀態(tài)會(huì)造成部分電池單體提前失效，造成短板效應(yīng)而影響電池包整體的壽命[1]。因此，在設(shè)計(jì)電池包時(shí)要關(guān)注電池單體工作時(shí)的溫升及溫差[2]。

六西格瑪是一套系統(tǒng)的業(yè)務(wù)改進(jìn)方法體系，旨在持續(xù)改進(jìn)企業(yè)業(yè)務(wù)流程，提高客戶滿意的管理方法。通過系統(tǒng)地、集成地采用質(zhì)量改進(jìn)流程，實(shí)現(xiàn)無缺陷的過程設(shè)計(jì)，并對(duì)現(xiàn)有過程進(jìn)行過程定義（define）、測量（measure）、分析（analyze）、改進(jìn)（improve）、控制（control），簡稱DMAIC流程，消除過程缺陷和無價(jià)值作業(yè)，從而提高質(zhì)量和服務(wù)、降低成本、縮短運(yùn)轉(zhuǎn)周期，令客戶完全滿意，增強(qiáng)企業(yè)競爭力[3]。本文針對(duì)電池包的散熱問題，運(yùn)用DFSS中的參數(shù)圖，確定控制因子及各因子的水平，然后運(yùn)用田口正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[4]。根據(jù)試驗(yàn)次數(shù)及每次試驗(yàn)的各因子水平，用CFD進(jìn)行溫度仿真試驗(yàn)，再用田口分析對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，得出信噪比和均值。根據(jù)信噪比和均值圖表以及響應(yīng)的望小特性，預(yù)測控制因子的最優(yōu)水平。最后使用CFD驗(yàn)證預(yù)測方案，與初始方案進(jìn)行對(duì)比，確定方案能夠滿足設(shè)計(jì)要求[5-6]。

1 試驗(yàn)背景

某電池包采用55 Ah磷酸鐵鋰電池，共6個(gè)模組，每個(gè)模組為2并8串，總電量為19 kW·h。在設(shè)計(jì)階段，要求使用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。電池包在環(huán)境溫度27 ℃下，1C放電3 600 s后要求電池單體的最高溫升不高于11 ℃，電池單體間溫差不超過6 ℃。在初始方案中，風(fēng)扇安裝在流道2與流道6處，流道寬度為10 mm，風(fēng)扇風(fēng)速為5 m/s，進(jìn)氣溫度為27 ℃。通過仿真，電池單體的最高溫升為12.04 ℃，單體之間的溫差為6.39 ℃，不滿足設(shè)計(jì)要求。在對(duì)電池包散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，將從風(fēng)扇安裝位置、流道寬度、風(fēng)扇風(fēng)速、進(jìn)氣溫度四個(gè)方面來綜合考慮[7-8]。在設(shè)計(jì)過程中使用田口正交試驗(yàn)方法，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測最佳的因子組合。

圖1 電池包簡化圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)圖設(shè)計(jì)

在田口試驗(yàn)前，首先建立參數(shù)圖，找出系統(tǒng)的控制因子、噪音因子以及響應(yīng)和癥狀。通過討論研究認(rèn)為風(fēng)扇位置、流道寬度、進(jìn)氣溫度、風(fēng)扇風(fēng)速這四個(gè)因子比較容易控制，且不會(huì)對(duì)電池包的周邊零件造成影響。最終將這4個(gè)因子確定為控制因子。以電池包放電后的溫升及單體電池間的溫差作為響應(yīng)。參數(shù)圖如圖2所示。

圖2 參數(shù)圖

2.2 控制因子和水平選擇

2.2.1控制因子A風(fēng)扇位置

風(fēng)扇安裝位置不同，同一工況下的散熱能力也會(huì)有差異。電池包縱向共有7個(gè)空氣流道，可以安裝風(fēng)扇的位置分別為流道2與流道6處、模塊二與模塊五的中間位置、流道3與流道5處[9]。如圖3所示。

圖3 風(fēng)扇安裝位置

2.2.2控制因子B流道寬度

模塊之間的間隙對(duì)應(yīng)流道寬度，不同流道寬度意味著空氣量的不同[10]?？刂颇K的間隙為15 mm、20 mm、25 mm。

2.2.3控制因子C進(jìn)氣溫度

電池包在使用強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)時(shí)，可以通過蒸發(fā)器或PTC降低或提高進(jìn)氣溫度來提高電池包的散熱能力。分別控制進(jìn)氣溫度為25 ℃、27 ℃、29 ℃。

2.2.4控制因子D風(fēng)扇風(fēng)速

通過提高風(fēng)扇風(fēng)速可以提高電池包的散熱速率?？刂骑L(fēng)扇的風(fēng)速為5 m/s、10 m/s、15 m/s。

4個(gè)控制因子及其水平，如表1所示。

表1 控制因子及水平匯總整理

Control FactorsLevel 1Level 2Level 3 A 風(fēng)扇位置STR01STR02STR03 B 流道寬度/mm101520 C 風(fēng)扇風(fēng)速/（m/s）51015 D 進(jìn)氣溫度/℃252729

2.3 正交列表

表2 田口正交列表

ABCDN1N2 11111 21222 31333 42123 52231 62312 73132 83213 93321

本次試驗(yàn)共有4個(gè)控制因子，每個(gè)因子有3個(gè)水平，因而選則L9正交矩陣，如表2所示。經(jīng)過CFD分析，針對(duì)各響應(yīng)的結(jié)果如表3所示。

表3 不同水平下各因子的響應(yīng)結(jié)果

風(fēng)扇位置流道寬度/mm風(fēng)扇風(fēng)速/（m/s）進(jìn)氣溫度/℃溫升溫差 ≤11 ℃≤6 ℃ 方案一1052511.906.58 方案一15102710.886.14 方案一20152910.035.95 方案二10102910.807.53 方案二15152510.186.18 方案二2052711.946.18 方案三10152710.025.64 方案三1552911.666.03 方案三20102510.745.93

2.4 響應(yīng)分析

響應(yīng)1溫升的信噪比及Mean值如表4、表5所示。從表中可以看出，風(fēng)扇風(fēng)速對(duì)溫升的影響是第一位的，流道寬度和進(jìn)氣溫度對(duì)溫升的影響不顯著。

表4 響應(yīng)1溫升信噪比

S/NABCD 1?20.76?20.73?21.46?20.76 2?20.79?20.74?20.67?20.76 3?20.66?20.73?20.07?20.68 Delta0.130.011.400.09 Rank2413

表5 響應(yīng)1溫升Mean值

MeanABCD 110.9410.9111.8310.94 210.9710.9110.8110.95 310.8110.9010.0810.83 Delta0.170.011.760.12 Rank2413

根據(jù)Spi的S/N結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為：A3B3C3D3；根據(jù)Spi的Mean 結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為：A3B3C3D3。

圖4 響應(yīng)1溫升信噪比圖

圖5 響應(yīng)1溫升Mean值圖

響應(yīng)2溫差的信噪比及Mean值如表6、表7所示。從表中可以看出，風(fēng)扇安裝位置對(duì)溫差的影響是第一位的，流道寬度和進(jìn)氣溫度對(duì)溫升的影響不顯著。

表6 響應(yīng)2溫差信噪比

S/NABCD 1?15.87?16.31?15.93?15.88 2?16.39?15.73?16.25?15.54 3?15.36?15.59?15.45?16.21 Delta1.030.720.810.67 Rank1324

表7 響應(yīng)2溫差Mean值

MeanABCD 16.226.586.266.23 26.636.126.535.99 35.876.025.926.50 Delta0.760.560.610.52 Rank1324

圖6 響應(yīng)2溫差信噪比圖

圖7 響應(yīng)2溫差Mean值圖

根據(jù)Spi的S/N結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為：A3B3C3D2；根據(jù)Spi的Mean結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為：A3B3C3D2。

2.5 最優(yōu)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證和確認(rèn)

各響應(yīng)優(yōu)化方案及各因子對(duì)響應(yīng)的影響順序匯總?cè)缦卤怼?/p>

表8 優(yōu)化方案

響應(yīng)控制因子S/NMean 1溫升≤11 ℃A3 B3 C3 D3A3 B3 C3 D3 2 4 1 32 4 1 3 2溫差≤6 ℃A3 B3 C3 D2A3 B3 C3 D2 1 3 2 41 3 2 4

根據(jù)各因子對(duì)響應(yīng)的影響順序，確定因子A選擇水平3、確定因子B選擇水平3、確定因子C選擇水平3。對(duì)于因子D對(duì)響應(yīng)的影響不顯著，綜合經(jīng)濟(jì)性選擇環(huán)境溫度27 ℃，即水平2。

針對(duì)預(yù)測方案A3B3C3D2進(jìn)行CFD仿真驗(yàn)證，并與最初方案A1B1C1D2進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)考慮到風(fēng)扇風(fēng)速對(duì)能量消耗的影響，把方案A3B3C1D2，A3B3C2D2一起加入對(duì)比。

表9 方案確認(rèn)

BaselineOptimal AA1A3A3A3 BB1B3B3B3 CC1C1C2C3 DD2D2D2D2 響應(yīng)1溫升12.0411.9910.9810.28 S/N?21.51?21.41?20.62?20.01 Mean11.9011.7810.7510.02 響應(yīng)2溫升6.396.385.765.50 S/N?16.02?14.80?15.12?14.30 Mean6.345.425.695.08

與初始方案相比，A3B3C2D2方案的溫升的信噪比提高了0.89 dB，均值降低了1.15 ℃，溫差的信噪比提高了0.9 dB，均值降低了0.65 ℃；A3B3C3D2方案的溫升的信噪比提高了1.5 dB，均值降低了1.88 ℃，溫差的信噪比提高了1.72 dB，均值降低了1.26 ℃。兩個(gè)方案均滿足設(shè)計(jì)要求，但A3B3C3 D2方案中，風(fēng)扇的風(fēng)速更高，因而需要消耗更多的能量。最終，綜合設(shè)計(jì)要求和經(jīng)濟(jì)性選擇A3B3C2D2方案。即風(fēng)扇安裝位置選擇方案三、流道寬度為20 mm、風(fēng)扇風(fēng)速為10 m/s、進(jìn)氣溫度為27 ℃。

3 總結(jié)

本文針對(duì)某電池包的散熱問題，找出影響散熱的關(guān)鍵控制因子，運(yùn)用DFSS設(shè)計(jì)工具結(jié)合CFD仿真，優(yōu)化試驗(yàn)組合，快速識(shí)別出影響電池散熱的顯著因子，得到了最優(yōu)的解決方案，節(jié)約了仿真的時(shí)間成本。同時(shí)，本次DFSS設(shè)計(jì)實(shí)踐也為后續(xù)項(xiàng)目的開發(fā)與研究積累了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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Heat Dissipation Optimization Design of Battery Pack Based on DFSS

JIANG Fuping, CHEN Xiaokang, WAN Hao, WANG Linru, YIN Yue

( School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering, Taizhou University, Jiangsu Taizhou 225300 )

The heat dissipation design of battery pack is an important link in the process of battery pack product development.The heat dissipation design matched with the system can make the battery work in a suitable temperature environment and improve the performance and service life of the battery. In this paper, DFSS tool is used to optimize the design in the process of battery pack heat dissipation design. By using Taguchi orthogonal experimental method, the four control factors of fan installation position, channel width, fan wind speed and inlet temperature are tested at different levels. According to the signal-to-noise ratio and mean value of the response, the significant factors affecting the response are obtained. Then the optimal design scheme is predicted. Finally, through CFD simulation, it is determined that the optimal scheme can meet the project requirements.

Battery pack; DFSS; Temperature rise; Temperature difference

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A

1671-7988(2021)23-01-04

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A

1671-7988(2021)23-01-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.001

蔣福平，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，就職于泰州學(xué)院船舶與機(jī)電工程學(xué)院，主要從事新能源汽車電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熱管理研究。