基于DFSS的电池包散热优化设计

蒋福平，陈晓康，万浩，王临茹，殷悦

基于DFSS的电池包散热优化设计

蒋福平，陈晓康，万浩，王临茹，殷悦

（泰州学院 船舶与机电工程学院，江苏 泰州 225300）

电池包散热设计是电池包产品开发过程中的重要环节，与系统相匹配的散热设计可以使电池单体工作在适宜的温度环境中，提高电池的性能及使用寿命。文章在电池包散热设计的过程中，应用DFSS工具来优化设计。通过运用田口正交实验方法，对风扇安装位置、流道宽度、风扇风速、进气温度四个控制因子进行不同水平的组合试验。根据响应的信噪比和Mean值，得出影响响应的显著因子，预测出最优的设计方案。最后，通过CFD仿真验证，确定最优方案能够满足项目要求。

电池包；DFSS；温升；温差

前言

电池包在工作过程中，电池单体会产生大量热量，如果集聚的热量不能及时从电池包内排出，将极大地影响电池包的安全性与可靠性，甚至出现起火爆炸等极端情况。另外，单体电池长期处于温差过大的工作状态会造成部分电池单体提前失效，造成短板效应而影响电池包整体的寿命[1]。因此，在设计电池包时要关注电池单体工作时的温升及温差[2]。

六西格玛是一套系统的业务改进方法体系，旨在持续改进企业业务流程，提高客户满意的管理方法。通过系统地、集成地采用质量改进流程，实现无缺陷的过程设计，并对现有过程进行过程定义（define）、测量（measure）、分析（analyze）、改进（improve）、控制（control），简称DMAIC流程，消除过程缺陷和无价值作业，从而提高质量和服务、降低成本、缩短运转周期，令客户完全满意，增强企业竞争力[3]。本文针对电池包的散热问题，运用DFSS中的参数图，确定控制因子及各因子的水平，然后运用田口正交实验法进行实验设计[4]。根据试验次数及每次试验的各因子水平，用CFD进行温度仿真试验，再用田口分析对仿真结果进行分析计算，得出信噪比和均值。根据信噪比和均值图表以及响应的望小特性，预测控制因子的最优水平。最后使用CFD验证预测方案，与初始方案进行对比，确定方案能够满足设计要求[5-6]。

1 试验背景

某电池包采用55 Ah磷酸铁锂电池，共6个模组，每个模组为2并8串，总电量为19 kW·h。在设计阶段，要求使用强迫风冷散热。电池包在环境温度27 ℃下，1C放电3 600 s后要求电池单体的最高温升不高于11 ℃，电池单体间温差不超过6 ℃。在初始方案中，风扇安装在流道2与流道6处，流道宽度为10 mm，风扇风速为5 m/s，进气温度为27 ℃。通过仿真，电池单体的最高温升为12.04 ℃，单体之间的温差为6.39 ℃，不满足设计要求。在对电池包散热优化设计时，将从风扇安装位置、流道宽度、风扇风速、进气温度四个方面来综合考虑[7-8]。在设计过程中使用田口正交试验方法，根据试验结果预测最佳的因子组合。

图1 电池包简化图

2 试验设计

2.1 参数图设计

在田口试验前，首先建立参数图，找出系统的控制因子、噪音因子以及响应和症状。通过讨论研究认为风扇位置、流道宽度、进气温度、风扇风速这四个因子比较容易控制，且不会对电池包的周边零件造成影响。最终将这4个因子确定为控制因子。以电池包放电后的温升及单体电池间的温差作为响应。参数图如图2所示。

图2 参数图

2.2 控制因子和水平选择

2.2.1控制因子A风扇位置

风扇安装位置不同，同一工况下的散热能力也会有差异。电池包纵向共有7个空气流道，可以安装风扇的位置分别为流道2与流道6处、模块二与模块五的中间位置、流道3与流道5处[9]。如图3所示。

图3 风扇安装位置

2.2.2控制因子B流道宽度

模块之间的间隙对应流道宽度，不同流道宽度意味着空气量的不同[10]。控制模块的间隙为15 mm、20 mm、25 mm。

2.2.3控制因子C进气温度

电池包在使用强迫风冷系统时，可以通过蒸发器或PTC降低或提高进气温度来提高电池包的散热能力。分别控制进气温度为25 ℃、27 ℃、29 ℃。

2.2.4控制因子D风扇风速

通过提高风扇风速可以提高电池包的散热速率。控制风扇的风速为5 m/s、10 m/s、15 m/s。

4个控制因子及其水平，如表1所示。

表1 控制因子及水平汇总整理

Control FactorsLevel 1Level 2Level 3 A 风扇位置STR01STR02STR03 B 流道宽度/mm101520 C 风扇风速/（m/s）51015 D 进气温度/℃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

本次试验共有4个控制因子，每个因子有3个水平，因而选则L9正交矩阵，如表2所示。经过CFD分析，针对各响应的结果如表3所示。

表3 不同水平下各因子的响应结果

风扇位置流道宽度/mm风扇风速/（m/s）进气温度/℃温升温差 ≤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 响应分析

响应1温升的信噪比及Mean值如表4、表5所示。从表中可以看出，风扇风速对温升的影响是第一位的，流道宽度和进气温度对温升的影响不显著。

表4 响应1温升信噪比

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 响应1温升Mean值

MeanABCD 110.9410.9111.8310.94 210.9710.9110.8110.95 310.8110.9010.0810.83 Delta0.170.011.760.12 Rank2413

根据Spi的S/N结果优化设计方案为：A3B3C3D3；根据Spi的Mean 结果优化设计方案为：A3B3C3D3。

图4 响应1温升信噪比图

图5 响应1温升Mean值图

响应2温差的信噪比及Mean值如表6、表7所示。从表中可以看出，风扇安装位置对温差的影响是第一位的，流道宽度和进气温度对温升的影响不显著。

表6 响应2温差信噪比

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 响应2温差Mean值

MeanABCD 16.226.586.266.23 26.636.126.535.99 35.876.025.926.50 Delta0.760.560.610.52 Rank1324

图6 响应2温差信噪比图

图7 响应2温差Mean值图

根据Spi的S/N结果优化设计方案为：A3B3C3D2；根据Spi的Mean结果优化设计方案为：A3B3C3D2。

2.5 最优设计方案验证和确认

各响应优化方案及各因子对响应的影响顺序汇总如下表。

表8 优化方案

响应控制因子S/NMean 1温升≤11 ℃A3 B3 C3 D3A3 B3 C3 D3 2 4 1 32 4 1 3 2温差≤6 ℃A3 B3 C3 D2A3 B3 C3 D2 1 3 2 41 3 2 4

根据各因子对响应的影响顺序，确定因子A选择水平3、确定因子B选择水平3、确定因子C选择水平3。对于因子D对响应的影响不显著，综合经济性选择环境温度27 ℃，即水平2。

针对预测方案A3B3C3D2进行CFD仿真验证，并与最初方案A1B1C1D2进行对比。同时考虑到风扇风速对能量消耗的影响，把方案A3B3C1D2，A3B3C2D2一起加入对比。

表9 方案确认

BaselineOptimal AA1A3A3A3 BB1B3B3B3 CC1C1C2C3 DD2D2D2D2 响应1温升12.0411.9910.9810.28 S/N−21.51−21.41−20.62−20.01 Mean11.9011.7810.7510.02 响应2温升6.396.385.765.50 S/N−16.02−14.80−15.12−14.30 Mean6.345.425.695.08

与初始方案相比，A3B3C2D2方案的温升的信噪比提高了0.89 dB，均值降低了1.15 ℃，温差的信噪比提高了0.9 dB，均值降低了0.65 ℃；A3B3C3D2方案的温升的信噪比提高了1.5 dB，均值降低了1.88 ℃，温差的信噪比提高了1.72 dB，均值降低了1.26 ℃。两个方案均满足设计要求，但A3B3C3 D2方案中，风扇的风速更高，因而需要消耗更多的能量。最终，综合设计要求和经济性选择A3B3C2D2方案。即风扇安装位置选择方案三、流道宽度为20 mm、风扇风速为10 m/s、进气温度为27 ℃。

3 总结

本文针对某电池包的散热问题，找出影响散热的关键控制因子，运用DFSS设计工具结合CFD仿真，优化试验组合，快速识别出影响电池散热的显著因子，得到了最优的解决方案，节约了仿真的时间成本。同时，本次DFSS设计实践也为后续项目的开发与研究积累了工程实践经验。

[1] 蒋福平.微型电动汽车电池包热流场特性研究[D].镇江:江苏大学, 2017.

[2] 徐晓明,蒋福平,田晋跃,等.基于导热胶散热的电池包热流场特性研究[J].汽车工程,2017,39(08):889-894+914.

[3] 马逢时.六西格玛管理统计指南:MINTAB使用指导[M].3版.北京:中国人民大学出版社,2018.

[4] 刘学雷,周成国,张高顺,等.六西格玛设计在汽车门饰板拉脱刚度设计中的应用[J].内燃机与配件,2021(11):194-196.

[5] 李凌翔,杨新清,汪涛.基于DFSS的变速器一体式轴承接触应力优化设计[J].上海汽车,2021(04):32-35+53.

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[7] 杨润泽,程鑫.基于CFD的某电动车电池包结构设计及热分析[J].湖北汽车工业学院学报,2019,33(03):34-38.

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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

蒋福平，硕士，助理实验师，就职于泰州学院船舶与机电工程学院，主要从事新能源汽车电池结构设计及热管理研究。