基于DFSS的電池包散熱優化設計

蔣福平，陳曉康，萬浩，王臨茹，殷悅

基于DFSS的電池包散熱優化設計

蔣福平，陳曉康，萬浩，王臨茹，殷悅

（泰州學院 船舶與機電工程學院，江蘇 泰州 225300）

電池包散熱設計是電池包產品開發過程中的重要環節，與系統相匹配的散熱設計可以使電池單體工作在適宜的溫度環境中，提高電池的性能及使用壽命。文章在電池包散熱設計的過程中，應用DFSS工具來優化設計。通過運用田口正交實驗方法，對風扇安裝位置、流道寬度、風扇風速、進氣溫度四個控制因子進行不同水平的組合試驗。根據響應的信噪比和Mean值，得出影響響應的顯著因子，預測出最優的設計方案。最后，通過CFD仿真驗證，確定最優方案能夠滿足項目要求。

電池包；DFSS；溫升；溫差

前言

電池包在工作過程中，電池單體會產生大量熱量，如果集聚的熱量不能及時從電池包內排出，將極大地影響電池包的安全性與可靠性，甚至出現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會造成部分電池單體提前失效，造成短板效應而影響電池包整體的壽命[1]。因此，在設計電池包時要關注電池單體工作時的溫升及溫差[2]。

六西格瑪是一套系統的業務改進方法體系，旨在持續改進企業業務流程，提高客戶滿意的管理方法。通過系統地、集成地采用質量改進流程，實現無缺陷的過程設計，并對現有過程進行過程定義（define）、測量（measure）、分析（analyze）、改進（improve）、控制（control），簡稱DMAIC流程，消除過程缺陷和無價值作業，從而提高質量和服務、降低成本、縮短運轉周期，令客戶完全滿意，增強企業競爭力[3]。本文針對電池包的散熱問題，運用DFSS中的參數圖，確定控制因子及各因子的水平，然后運用田口正交實驗法進行實驗設計[4]。根據試驗次數及每次試驗的各因子水平，用CFD進行溫度仿真試驗，再用田口分析對仿真結果進行分析計算，得出信噪比和均值。根據信噪比和均值圖表以及響應的望小特性，預測控制因子的最優水平。最后使用CFD驗證預測方案，與初始方案進行對比，確定方案能夠滿足設計要求[5-6]。

1 試驗背景

某電池包采用55 Ah磷酸鐵鋰電池，共6個模組，每個模組為2并8串，總電量為19 kW·h。在設計階段，要求使用強迫風冷散熱。電池包在環境溫度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，風扇安裝在流道2與流道6處，流道寬度為10 mm，風扇風速為5 m/s，進氣溫度為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 ℃，不滿足設計要求。在對電池包散熱優化設計時，將從風扇安裝位置、流道寬度、風扇風速、進氣溫度四個方面來綜合考慮[7-8]。在設計過程中使用田口正交試驗方法，根據試驗結果預測最佳的因子組合。

圖1 電池包簡化圖

2 試驗設計

2.1 參數圖設計

在田口試驗前，首先建立參數圖，找出系統的控制因子、噪音因子以及響應和癥狀。通過討論研究認為風扇位置、流道寬度、進氣溫度、風扇風速這四個因子比較容易控制，且不會對電池包的周邊零件造成影響。最終將這4個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。參數圖如圖2所示。

圖2 參數圖

2.2 控制因子和水平選擇

2.2.1控制因子A風扇位置

風扇安裝位置不同，同一工況下的散熱能力也會有差異。電池包縱向共有7個空氣流道，可以安裝風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

模塊之間的間隙對應流道寬度，不同流道寬度意味著空氣量的不同[10]。控制模塊的間隙為15 mm、20 mm、25 mm。

2.2.3控制因子C進氣溫度

電池包在使用強迫風冷系統時，可以通過蒸發器或PTC降低或提高進氣溫度來提高電池包的散熱能力。分別控制進氣溫度為25 ℃、27 ℃、29 ℃。

2.2.4控制因子D風扇風速

通過提高風扇風速可以提高電池包的散熱速率。控制風扇的風速為5 m/s、10 m/s、15 m/s。

4個控制因子及其水平，如表1所示。

表1 控制因子及水平匯總整理

Control FactorsLevel 1Level 2Level 3 A 風扇位置STR01STR02STR03 B 流道寬度/mm101520 C 風扇風速/（m/s）51015 D 進氣溫度/℃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

本次試驗共有4個控制因子，每個因子有3個水平，因而選則L9正交矩陣，如表2所示。經過CFD分析，針對各響應的結果如表3所示。

表3 不同水平下各因子的響應結果

風扇位置流道寬度/mm風扇風速/（m/s）進氣溫度/℃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 響應分析

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

表4 響應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Spi的S/N結果優化設計方案為：A3B3C3D3；根據Spi的Mean 結果優化設計方案為：A3B3C3D3。

圖4 響應1溫升信噪比圖

圖5 響應1溫升Mean值圖

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

表6 響應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2溫差信噪比圖

圖7 響應2溫差Mean值圖

根據Spi的S/N結果優化設計方案為：A3B3C3D2；根據Spi的Mean結果優化設計方案為：A3B3C3D2。

2.5 最優設計方案驗證和確認

各響應優化方案及各因子對響應的影響順序匯總如下表。

表8 優化方案

響應控制因子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

根據各因子對響應的影響順序，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。對于因子D對響應的影響不顯著，綜合經濟性選擇環境溫度27 ℃，即水平2。

針對預測方案A3B3C3D2進行CFD仿真驗證，并與最初方案A1B1C1D2進行對比。同時考慮到風扇風速對能量消耗的影響，把方案A3B3C1D2，A3B3C2D2一起加入對比。

表9 方案確認

BaselineOptimal AA1A3A3A3 BB1B3B3B3 CC1C1C2C3 DD2D2D2D2 響應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 ℃。兩個方案均滿足設計要求，但A3B3C3 D2方案中，風扇的風速更高，因而需要消耗更多的能量。最終，綜合設計要求和經濟性選擇A3B3C2D2方案。即風扇安裝位置選擇方案三、流道寬度為20 mm、風扇風速為10 m/s、進氣溫度為27 ℃。

3 總結

本文針對某電池包的散熱問題，找出影響散熱的關鍵控制因子，運用DFSS設計工具結合CFD仿真，優化試驗組合，快速識別出影響電池散熱的顯著因子，得到了最優的解決方案，節約了仿真的時間成本。同時，本次DFSS設計實踐也為后續項目的開發與研究積累了工程實踐經驗。

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[5] 李凌翔,楊新清,汪濤.基于DFSS的變速器一體式軸承接觸應力優化設計[J].上海汽車,2021(04):32-35+53.

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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

463

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，助理實驗師，就職于泰州學院船舶與機電工程學院，主要從事新能源汽車電池結構設計及熱管理研究。