摘要:本文以方形鋰離子電池組為研究對象，建立風冷式和液冷式鋰離子電池組 的仿真模型，并對比不同散熱方式下電池組的散熱效果?結果表明:對于風冷電池組,橫向式比縱向式散熱效果好;對液冷式電池組,其散熱效果優(yōu)于風冷電池組,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工作。
1.研究背景
大力發(fā)展純電動汽車是解決全球能源危機和環(huán)境污染問題的重要措施,而電池組是純電動汽車的核心部件之一?溫度對鋰離子電池容量?充放電性能?循環(huán)壽命等有直接影響?電池在充放電過程中會釋放大量的熱量,使得電池溫度會急劇上升,電池的溫度過高和過低都會加速電池的老化過程,這就要求電池工作溫度保持在20-45℃,電池模組間的溫差應該控制在5℃以內?
電池在工作過程中出現(xiàn)高溫的情況需要冷卻系統(tǒng)進行有效散熱,最常見的冷卻方式有空氣冷卻和液體冷卻?本文根據電池組具體幾何形狀及其散熱結構,分別對比風冷和液冷兩種散熱方案,探究不同散熱方案對電池包散熱性能的影響規(guī)律?
2.基于風冷的電池組散熱仿真研究
本文研究的方形電池組是由90個單體電池組成,電池組外形尺寸41mm×174mm×205mm?電池組是由9個電池模組組成,每個電池模組單元共有10個單體電池,圖2.1為風冷電池組簡化模型?
2.1電池生熱機理
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,很難進行準確的測量?因此,針對電池單體的生熱速率,目前廣泛使用Bernardi方程計算?Bernardi電池生熱速率方程如式(1)所示:
2.2電池熱物性參數(shù)計算
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構,其導熱系數(shù)具有各向異性的特征?根據熱阻的串聯(lián)和并聯(lián)的原理,估算出電池各個方向的熱物性參數(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電池組風冷仿真分析
一般情況下,當流體速度小于1/3風速(340m/s)時,可將流體看作不可壓縮流體,因此對汽車電池組來說,可將空氣視作不可壓縮流體?本節(jié)使用FLUENT軟件,選擇標準Κ?ε湍流模型和SIMPLEC算法對電池組進行風冷仿真計算?
電池組采用吹風散熱方式,進風口壓力為大氣壓,出風口為風扇出口邊界條件,電池組一共有兩組風扇?電池組的壁面設為無滑移壁面邊界條件?
電池組散熱性能評價指標有最高溫度和最大溫差兩項?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,通過仿真來對比電池組縱向進風和橫向進風兩種方式對應的電池組散熱效果?下圖2.2和圖2.3分別為縱向進風和橫向進風下電池組的溫度云圖?
從圖2.2可以看出縱向進風方式下電池組的最高溫度位于出風口區(qū)域,從進風區(qū)域至出風區(qū)域,電池模組的溫度呈依次升高的趨勢,即出現(xiàn)了熱級聯(lián)現(xiàn)象?從圖2.3可以看出橫向進風方式下電池組的最高溫度位于中間區(qū)域,最低溫度位于進風口區(qū)域,從整體上看,橫向進風方式下電池組各個模組與氣流的接觸面積差異較小?
表2.1為縱向進風和橫向進風兩種方式對應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,而電池組最大溫差呈下降趨勢;在相同環(huán)境溫度下,橫向進風方式下電池組的最高溫度和最大溫差均低于縱向進風方式?當環(huán)境溫度為30℃時,縱向進風方式下電池組最高49.12℃,橫向進風方式下電池組最高41.04℃,均超過了電池的適宜工作溫度范圍?因此當環(huán)境溫度較高時,有必要增強電池組的散熱能力,控制電池組的溫度不能過高?
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,冷卻液的導熱系數(shù)為0.42w.m-1.k-1,液冷板通過導熱墊與電池組連接,圖2.4為液冷電池組簡化模型?
3.1電池組液冷仿真模型建立
一般情況下,對管道內流動液體視為不可壓縮流體?本節(jié)使用FLUENT軟件,選擇標準Κ?ε湍流模型和SIMPLEC算法對電池組進行液冷仿真計算?冷卻液的進口溫度為20℃,電池組的壁面設為無滑移壁面邊界條件?采用最高溫度和最大溫差兩項指標評價電池組散熱性能?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?
進一步計算不同進口流量下電池組的溫度,下表3.1為不同進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,因此對于實際具體的電池組,要合理設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
目前世界各國均在大力發(fā)展純電動汽車,電池組的散熱成為了關鍵因素?只有對電池組進行良好的散熱設計,將電池的工作溫度和溫差控制在許用范圍內,才能有效保證電池組擁有較好的工作能力和較長的工作壽命?本文對電池組散熱方式進行研究,并對其進行溫度場仿真,最后對結果進行分析,得出的結論可以作為電池組散熱設計的參考?
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