電動汽車動力電池液冷系統(tǒng)優(yōu)化研究

0引言

對于電動汽車的動力電池包來說,液體冷卻是目前主流的冷卻方式,包括直接接觸冷卻和間接接觸冷卻。其中,直接接觸冷卻雖然散熱效果好,但成本高昂,技術(shù)要求嚴格,且不利于電池的后續(xù)維護。因此,間接接觸冷卻,尤其是采用冷卻板結(jié)構(gòu)的方式,受到了廣泛的關(guān)注與研究。然而,液冷板的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計一直是影響散熱效果的關(guān)鍵因素。眾多研究者嘗試優(yōu)化液冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計,以提高散熱性能。張林等人^[1]發(fā)現(xiàn)分岔通道相較于其他通道類型具有更好的散熱性能,并提出了新型的液冷板結(jié)構(gòu)。然而,液冷板的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)在影響散熱性能的同時,也關(guān)系到冷卻液的壓力損失。通常,液冷板溫度分布均勻性的提升往往伴隨著壓力損失的增大。因此,在液冷板的設(shè)計中,要在保證溫度分布均勻的同時,盡可能降低內(nèi)部流道的壓力損失。本研究對一款動力電池包的液冷板進行了深入設(shè)計與分析:通過優(yōu)化其液冷板結(jié)構(gòu),改進液冷板材料來提高液冷板的散熱性能,提高液冷板的溫度均勻性;通過建立電池包的液冷板流體域CFD模型,以及動力電池與液冷板的流固耦合傳熱模型,全面分析液冷板的散熱性能^[2];通過對比電池包的最高溫度變化曲線及優(yōu)化前后的溫度云圖,更加準確地分析液冷板散熱效果的提升。

1 電池包CFD模型建立

1.1幾何模型的建立

以某電動汽車動力電池包為研究對象,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。各電池模組位于液冷板之上,其電池包長×寬×高尺寸為1644mm × 1049mm × 88mm。導熱硅膠墊置于電池下方,其作用是填充各部件之間的空隙,將空氣排出,且具有良好的導熱性、溫度穩(wěn)定性以及絕緣耐壓性,其安全性也有保障^[3]。液冷板位于各電池模組之間,以確保電池包各方向的散熱均勻性,其板壁厚度為3 mm,主流道二點寬度為10mm,高度為72 mm。冷卻液進出口與液冷板通過焊接連接。

1.2 電池包CFD模型的建立

使用ANSYS軟件的fluent模塊對液冷板的流道進行流體域模型的體積抽取。在流體動力學分析中,采用STAR-CCM+這一先進的CFD軟件。在模擬過程中,入口區(qū)域的邊界條件被設(shè)定為質(zhì)量流量入口,具體速度為0.2 kg/s。經(jīng)過精確計算,得出入口處的雷諾數(shù)為5 218,所以應(yīng)選擇湍流模型來模擬流體的流動狀態(tài)。在湍流模型的選擇上,根據(jù)雷諾系數(shù)選擇k-ε模型。k-ε模型在近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)進行求解,對網(wǎng)格的精度要求相對較低,且收斂性更佳。

綜合考慮,選擇了k—ε模型,以確保仿真結(jié)果的準確性和可靠性。在出口區(qū)域,設(shè)定壓力出口的邊界條件,其初始大小為0 Pa。同時,進出口的湍流強度被設(shè)置為0.03,湍流長度比例則設(shè)定為0.000 5 m,這些參數(shù)的設(shè)定旨在更精確地模擬流體在系統(tǒng)中的實際流動情況。通過這一系列精細的設(shè)置,能夠確保仿真結(jié)果的準確性和可靠性,為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供有力的支持。

1.3驗證網(wǎng)格無關(guān)性

CFD求解過程中需建立離散方程,其仿真結(jié)果的誤差會受到模型網(wǎng)格劃分的尺寸影響。網(wǎng)格尺寸越小,仿真結(jié)果的誤差越小;網(wǎng)格尺寸越大,仿真結(jié)果的誤差越大。過大的網(wǎng)格尺寸會導致仿真結(jié)果的失真,而過小的網(wǎng)格尺寸將會浪費計算資源,耗時長且其結(jié)果并不會有明顯提升。因此,需要進行網(wǎng)格無關(guān)性的驗算,控制模型的總網(wǎng)格數(shù)在一個合適的區(qū)間,以提高模型計算的效率、仿真結(jié)果的精確度以及計算結(jié)果的可靠性。本文分別設(shè)置了不同的單元尺寸來驗證其尺寸對仿真結(jié)果的影響,分析了100萬、136萬、213萬、363萬、623萬、834萬六種不同數(shù)量的網(wǎng)格數(shù)量對仿真結(jié)果精度的影響。仿真結(jié)果如圖2所示,網(wǎng)格數(shù)量超過623萬以后,網(wǎng)格數(shù)量對壓降結(jié)果的影響已經(jīng)不明顯了,因此可以選擇網(wǎng)格數(shù)量為623萬的網(wǎng)格模型進行后續(xù)的仿真計算。網(wǎng)格的目標尺寸為5 mm,最小網(wǎng)格尺寸為1 mm。網(wǎng)格模型如圖3所示。

1.4 電池傳熱特性分析

對于動力電池包的傳熱模型來說,電池與外界的熱交換一般有三種方式,分別是熱傳導、熱對流以及熱輻射,其中熱輻射影響較小,可忽略不計^[4]。

1.4.1 熱傳導

熱傳導,又稱導熱,當存在溫差的兩個物體相接觸時,熱量會從溫度高的物體向溫度低的物體傳遞,可用公式表示為:

式中:q為熱流密度向量,是個矢量;Φ為熱流量;A為垂直于導熱方向的截面積;λ為導熱系數(shù);T、n為兩物 體溫度;▽T為溫度差值。

若截面積為A,則通過該截面的熱流量為:

電池包中,電池與液冷板以及隔熱硅膠墊之間的傳熱都是熱傳導。

1.4.2熱對流

對流,簡而言之,是流體介質(zhì)在宏觀運動下,于兩個溫度差異區(qū)域間進行的熱傳遞過程。在工程實踐中,當流體流經(jīng)溫度不同的固體表面時,二者之間發(fā)生的熱交換過程便是對流傳熱。因此,在電池冷卻的過程中,冷卻液流經(jīng)電池表面時,便發(fā)生了這種熱對流現(xiàn)象。在電池表面的熱對流表達式為:

式中:A為對流換熱接觸面積;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),又稱為換熱系數(shù);ΔT為壁面與流體間溫度差的絕對值。

1.5內(nèi)阻特性分析

電池在進行熱管理相關(guān)的仿真時需要求出相關(guān)的生熱量,而一般電池在-20~60℃的環(huán)境下才能發(fā)揮出較好的性能,溫度過高或過低都會影響電池的性能甚至引發(fā)危險。在正常溫度的情況下,電池的生熱主要是由其內(nèi)阻產(chǎn)生的焦耳熱,所以在進行仿真之前需要先獲得其電池的等效內(nèi)阻,從而計算出電池在充電放電過程中的內(nèi)阻焦耳熱。

等效內(nèi)阻受其材料、設(shè)計和制造工藝影響。溫度和荷電狀態(tài)對電池內(nèi)阻都有影響,因此將電池溫度與SOC(荷電狀態(tài))作為內(nèi)阻的函數(shù),即R_i=?(T,SOC)。其中,R_i為等效內(nèi)阻,T為溫度,SOC為荷電量。

根據(jù)歐姆定律,等效電阻由U—I曲線或者R=(E_acv—V)/I獲得,其中,R為電阻,E_acv為額定電壓,V為電路電壓,I為測試電流。但在實際操作中難以完成,所以一般通過脈沖電流法與熱損失法獲得,根據(jù)實驗條件選擇熱損失法。

熱損失法是指在充電和放電的過程中利用相同的測試狀態(tài),測量出兩個過程中的熱量損失,然后根據(jù)式(4)計算出等效內(nèi)阻。一般通過熱量儀ARC測量充電與放電過程中的熱量,為減小環(huán)境與溫度對結(jié)果的影響,通常采用較低的恒流作為測試電流。

式中:R_i為等效內(nèi)阻;I為測試恒流;Q_charge與Q_discharge分別為充電與放電狀態(tài)的熱損失。

2液冷板溫均性優(yōu)化

2.1液冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過優(yōu)化液冷板的結(jié)構(gòu)來提高散熱效率,結(jié)構(gòu)如圖4所示^[5]。這個結(jié)構(gòu)的液冷板能與電池有更大的接觸面積,可以提高熱交換的效率^[6],也可以更加有效地降低電池包內(nèi)部的溫度梯度,減小單體電池在豎直方向的溫差,有助于維持單體電池在更穩(wěn)定的工作溫度范圍內(nèi),從而提高電池的性能和壽命。

2.2液冷板材料優(yōu)化

液冷板的散熱性能對電池包的散熱起到關(guān)鍵作用,不同材料的導熱效率也有很大差別。所以,本文利用新型材料碳納米管來作為電池包液冷板的材料進行研究^[7]。碳納米管是一種具有極高強度、導熱性和化學穩(wěn)定性的納米材料,其具有極高的比表面積和比強度,使它成為一種理想的輕質(zhì)高強材料。較低的密度也能有效降低電池包的總重量,提高車輛的總續(xù)航里程。其優(yōu)異的導熱性能,能夠增強其冷卻效果,加快熱量的散發(fā),使熱量更快地從電池單體中傳遞出去,讓電池更好地在適宜環(huán)境中工作,從而提高電池的整體性能與壽命。

3聯(lián)合仿真分析

3.1 電池包流固耦合傳熱模型的建立

Star CCM+是一款專注于流體動力學(CFD)的仿真軟件,涵蓋了流體、機械、熱、電磁等多個領(lǐng)域,可以進一步提高仿真的精度,使仿真結(jié)果更加接近真實情況^[8],同時在設(shè)計階段就能發(fā)現(xiàn)更多的問題,從而大大縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期,并盡可能減少產(chǎn)品實物驗證階段的重大問題,最終減少開發(fā)成本,并避免在后期階段發(fā)現(xiàn)問題,縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期。

3.2液冷板流固耦合傳熱分析

利用STAR—CCM+軟件建立電池包的流體域CFD模型,設(shè)置模型的邊界條件。壓印功能可以生成各部件之間的強耦合交界面,從而完成不同部件以及不同區(qū)域之間的熱傳遞。設(shè)置好液冷板進出口壁面的壁面屬性。根據(jù)Bernardi電池生熱分析,電池內(nèi)部產(chǎn)熱均勻。所有材料的初始溫度都設(shè)置為25℃。分別對原結(jié)構(gòu)液冷板模型、優(yōu)化后液冷板模型,以及液冷板材料換為碳納米管三種情況進行仿真。各材料屬性如表1所示。

3.3液冷板流固耦合仿真結(jié)果

圖5、圖6分別是三種液冷板仿真后平均溫度與最高溫度的變化曲線。圖中模型一為未優(yōu)化液冷板模型,模型二為優(yōu)化后液冷板模型但液冷板材料仍用鋁合金,模型三為優(yōu)化后液冷板模型但液冷板材料改用碳納米管?？梢钥闯?在平均溫度方面,模型二與模型三的曲線相近,溫度差別不大,不過兩者對于模型一來說還是有一定優(yōu)勢的,即優(yōu)化后的液冷板結(jié)構(gòu)有效。而在降低最高溫度方面,優(yōu)化液冷板后的效果均有提升,但應(yīng)用碳納米管的效果更好,其可以降低電池包內(nèi)單體電池的最大溫差,從而提高電池包的安全性與電池包的壽命。

圖7與圖8為優(yōu)化前后的溫度云圖對比。可以看出,優(yōu)化后電池包的整體溫度下降,單體電池的溫差也明顯減小。優(yōu)化后的電池包能夠讓電池在更加適宜的環(huán)境下工作,有效提高了散熱效率。

4 結(jié)論

本文通過改良液冷板的材料及結(jié)構(gòu),使電池包在電動汽車行駛過程中的散熱性能更加良好,能更多地帶走電動汽車行駛過程中電池產(chǎn)生的熱量,更加有效地防止電池的熱失控,提高電池的工作效率,也保障了安全性。

液冷板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,能夠更好地保障單體電芯的溫度均勻性以及電池包的溫差,從而保障電池的性能,延長電池的使用壽命。

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2024年第18期第15篇