摘要:本文以方形鋰離子電池組為研究對(duì)象，建立風(fēng)冷式和液冷式鋰離子電池組 的仿真模型，并對(duì)比不同散熱方式下電池組的散熱效果?結(jié)果表明:對(duì)于風(fēng)冷電池組,橫向式比縱向式散熱效果好;對(duì)液冷式電池組,其散熱效果優(yōu)于風(fēng)冷電池組,增加冷卻液入口流量能夠提升電池組散熱效果,保證電池組在合理的溫度范圍內(nèi)工作。

1.研究背景

大力發(fā)展純電動(dòng)汽車是解決全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的重要措施,而電池組是純電動(dòng)汽車的核心部件之一?溫度對(duì)鋰離子電池容量?充放電性能?循環(huán)壽命等有直接影響?電池在充放電過(guò)程中會(huì)釋放大量的熱量,使得電池溫度會(huì)急劇上升,電池的溫度過(guò)高和過(guò)低都會(huì)加速電池的老化過(guò)程,這就要求電池工作溫度保持在20-45℃,電池模組間的溫差應(yīng)該控制在5℃以內(nèi)?

電池在工作過(guò)程中出現(xiàn)高溫的情況需要冷卻系統(tǒng)進(jìn)行有效散熱,最常見的冷卻方式有空氣冷卻和液體冷卻?本文根據(jù)電池組具體幾何形狀及其散熱結(jié)構(gòu),分別對(duì)比風(fēng)冷和液冷兩種散熱方案,探究不同散熱方案對(duì)電池包散熱性能的影響規(guī)律?

2.基于風(fēng)冷的電池組散熱仿真研究

本文研究的方形電池組是由90個(gè)單體電池組成,電池組外形尺寸41mm×174mm×205mm?電池組是由9個(gè)電池模組組成,每個(gè)電池模組單元共有10個(gè)單體電池,圖2.1為風(fēng)冷電池組簡(jiǎn)化模型?

2.1電池生熱機(jī)理

電池單體的生熱速率受電流密度?荷電狀態(tài)以及環(huán)境溫度等多因素影響,具有高度非線性,很難進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量?因此,針對(duì)電池單體的生熱速率,目前廣泛使用Bernardi方程計(jì)算?Bernardi電池生熱速率方程如式(1)所示:

2.2電池?zé)嵛镄詤?shù)計(jì)算

電池材料各層熱物性參數(shù)不相同,由于鋰離子電池的層疊結(jié)構(gòu),其導(dǎo)熱系數(shù)具有各向異性的特征?根據(jù)熱阻的串聯(lián)和并聯(lián)的原理,估算出電池各個(gè)方向的熱物性參數(shù)?其中,x方向表示厚度方向,y?z方向表示平行于電池方向面的水平方向和豎直方向?各種材料物性參數(shù)如表1所示?

2.3電池組風(fēng)冷仿真分析

一般情況下,當(dāng)流體速度小于1/3風(fēng)速(340m/s)時(shí),可將流體看作不可壓縮流體,因此對(duì)汽車電池組來(lái)說(shuō),可將空氣視作不可壓縮流體?本節(jié)使用FLUENT軟件,選擇標(biāo)準(zhǔn)Κ?ε湍流模型和SIMPLEC算法對(duì)電池組進(jìn)行風(fēng)冷仿真計(jì)算?

電池組采用吹風(fēng)散熱方式,進(jìn)風(fēng)口壓力為大氣壓,出風(fēng)口為風(fēng)扇出口邊界條件,電池組一共有兩組風(fēng)扇?電池組的壁面設(shè)為無(wú)滑移壁面邊界條件?

電池組散熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有最高溫度和最大溫差兩項(xiàng)?環(huán)境溫度20℃;忽略電池組與外界環(huán)境的輻射換熱;在1C放電下,電池組總功耗為1.8KW,通過(guò)仿真來(lái)對(duì)比電池組縱向進(jìn)風(fēng)和橫向進(jìn)風(fēng)兩種方式對(duì)應(yīng)的電池組散熱效果?下圖2.2和圖2.3分別為縱向進(jìn)風(fēng)和橫向進(jìn)風(fēng)下電池組的溫度云圖?

從圖2.2可以看出縱向進(jìn)風(fēng)方式下電池組的最高溫度位于出風(fēng)口區(qū)域,從進(jìn)風(fēng)區(qū)域至出風(fēng)區(qū)域,電池模組的溫度呈依次升高的趨勢(shì),即出現(xiàn)了熱級(jí)聯(lián)現(xiàn)象?從圖2.3可以看出橫向進(jìn)風(fēng)方式下電池組的最高溫度位于中間區(qū)域,最低溫度位于進(jìn)風(fēng)口區(qū)域,從整體上看,橫向進(jìn)風(fēng)方式下電池組各個(gè)模組與氣流的接觸面積差異較小?

表2.1為縱向進(jìn)風(fēng)和橫向進(jìn)風(fēng)兩種方式對(duì)應(yīng)的電池組的最高溫度和最大溫差?從表2.1可以看出,隨著環(huán)境溫度的升高,電池組最高溫度呈升高的趨勢(shì),而電池組最大溫差呈下降趨勢(shì);在相同環(huán)境溫度下,橫向進(jìn)風(fēng)方式下電池組的最高溫度和最大溫差均低于縱向進(jìn)風(fēng)方式?當(dāng)環(huán)境溫度為30℃時(shí),縱向進(jìn)風(fēng)方式下電池組最高49.12℃,橫向進(jìn)風(fēng)方式下電池組最高41.04℃,均超過(guò)了電池的適宜工作溫度范圍?因此當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí),有必要增強(qiáng)電池組的散熱能力,控制電池組的溫度不能過(guò)高?

3.基于液冷的電池組散熱仿真研究

電池組采用液冷板式間接液冷散熱,冷卻液的導(dǎo)熱系數(shù)為0.42w.m^-1.k^-1,液冷板通過(guò)導(dǎo)熱墊與電池組連接,圖2.4為液冷電池組簡(jiǎn)化模型?

3.1電池組液冷仿真模型建立

一般情況下,對(duì)管道內(nèi)流動(dòng)液體視為不可壓縮流體?本節(jié)使用FLUENT軟件,選擇標(biāo)準(zhǔn)Κ?ε湍流模型和SIMPLEC算法對(duì)電池組進(jìn)行液冷仿真計(jì)算?冷卻液的進(jìn)口溫度為20℃,電池組的壁面設(shè)為無(wú)滑移壁面邊界條件?采用最高溫度和最大溫差兩項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)電池組散熱性能?環(huán)境溫度20℃;忽略電池組與外界環(huán)境的輻射換熱;在1C放電下,電池組總功耗為1.8KW?

3.2電池組液冷仿真分析

計(jì)算收斂后提取電池組的溫度云圖,如圖2.5所示?從圖2.5可以看出電池組的最高溫度為40.06℃,最低溫度為23.03℃,最大溫差為17.03℃,與流道靠近的區(qū)域電池組溫度最低?

進(jìn)一步計(jì)算不同進(jìn)口流量下電池組的溫度,下表3.1為不同進(jìn)口流量下液冷電池組的最高溫度和最大溫差?

從表3.1可以看出,隨著進(jìn)口流量的增大,電池組的最高溫度和最大溫差均不斷降低,因此對(duì)于實(shí)際具體的電池組,要合理設(shè)定冷卻液的入口流量,保證電池組的溫度處在適宜的范圍?

4.總結(jié)

目前世界各國(guó)均在大力發(fā)展純電動(dòng)汽車,電池組的散熱成為了關(guān)鍵因素?只有對(duì)電池組進(jìn)行良好的散熱設(shè)計(jì),將電池的工作溫度和溫差控制在許用范圍內(nèi),才能有效保證電池組擁有較好的工作能力和較長(zhǎng)的工作壽命?本文對(duì)電池組散熱方式進(jìn)行研究,并對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真,最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,得出的結(jié)論可以作為電池組散熱設(shè)計(jì)的參考?

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