作為電動汽車的主要動力源,鋰離子電池的化學過程將產生大量的熱,必須對產生的熱量進行管理,防止溫度過高導致電池性能衰減?一個好的熱管理系統必須能夠在不過度限制電池性能的情況下,將電池溫度保持在一個合適范圍內?
Dang?T和Teng?JT發現微型通道傳熱器的傳熱率高于微通道的傳熱率,壓降也高于微通道的壓降?Zhang?YP等人提出了一種適用于高熱流密度和高散熱要求的電子器件冷卻的新型冷板,可使電芯最大溫度比傳統冷板降低約40%?南爵將相變材料石蠟應用于電池模組的熱管理系統,結果表明,石蠟發生相變對于溫度上升有明顯的抑制作用?梁波等采用了一種往復流冷卻方式,使冷卻空氣流動方向周期性改變,以降低單體電池沿空氣流方向的溫度梯度?
本文采用計算流體力學(CFD)仿真方法,對具有分流翅片液冷板的方殼鋰電芯模組進行不同放電倍率下的動力電池模組溫度分布和液冷板內部傳熱特性分析?
1數學模型
2仿真模型
2.1三維模型搭建
單個動力電池模組內含有12支38?A·h三元鋰離子電芯?距離冷卻液入口最近的電芯編為1號,距離最遠的電芯編為12號,依次編號?三維模型網格尺寸2?mm,最終生成網格數為614?874個?動力電池模組以及液冷板網格如圖1和圖2所示?
2.2邊界條件設定
三維仿真計算的邊界條件與不同放電工況設置分別見表1和表2?
3計算結果分析
3.1動力電池模組仿真結果分析
針對具有12個三元鋰離子電芯的動力電池模組,建立了三維模型,并對模組在1C?2C和3C的放電倍率下,仿真研究動力電池模組的溫度分布情況,結果如圖3和圖4所示?
1C?2C?3C的放電倍率下,每個電芯的產熱功率分別為3.05?W?10.93?W?21.86?W,初始溫度為25?℃?由圖3可以看出,在1C?2C?3C放電倍率下放電結束后,模組最高溫度分別為29.36?℃?35.38?℃?42.33?℃,較初始值分別升高了4.36?℃?10.38?℃?17.33?℃?同時模組最低溫度分別為27.31?℃?28.43?℃?29.79?℃,整個模組的最大溫差分別為2.05?℃?6.95?℃?12.54?℃?模組縱向的導熱速度小于冷卻液的傳熱速度,導致模組頂部的熱量未及時被冷卻液帶走,因此模組頂部溫度高于底部溫度?由圖4可知,1C?2C和3C的放電倍率下,不同電芯的平均溫度不同,靠近冷卻液入口的電芯平均溫度要低于遠端的電芯平均溫度,且10號電芯的平均溫度最高,1號電芯的平均溫度最低,兩者分別相差0.09?℃?0.29?℃?0.45?℃?由于11號?12號電芯靠近側面端板,而端板具有一定的吸熱作用,因此10號?11號?12號電芯的平均溫度依次降低?相較于1C和2C,在3C放電倍率下,模組?電芯平均溫度的最大溫差均變大?
3.2液冷板仿真結果分析
液冷板內部流場的壓力分布和溫度分布如圖5和圖6所示?由圖5可知,冷卻液入口附近流體壓力較高,最大為102.11?kPa,冷卻液出口附近壓力分布較為均勻,液冷板最大壓差約為0.96?kPa,約為最大壓力的0.94%?
由圖6可知,冷卻液溫度由入口到出口處逐漸升高,在10號電芯位置附近溫度達到最高,傳熱效率下降,此處附近電芯溫度較高?這符合上文得出的電芯平均溫度分布結果?在分流翅片之間,冷卻液溫度達到局部最大,說明分流翅片加強了冷卻液的局部流動,進而提高了冷卻液與電芯的傳熱效率?
4結束語
隨著用戶對電動汽車性能和安全要求的不斷提高,動力電池熱管理系統技術也隨之快速發展,需保證電池在合適溫度下運行,防止電池出現熱失控?具有分流翅片的液冷板可提高冷卻液與電芯的傳熱效率,進而強化動力電池模組的散熱效果,提高動力電池運行的安全性?
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