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液冷管包裹性對(duì)動(dòng)力電池冷卻效果的影響

2022-03-02 23:29:58·  來源：焉知?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)  
　
作者 | 賈明正 馬梓良 黑中磊（賈明正 馬梓良 黑中磊）導(dǎo)讀：為了更好地研究液冷管在動(dòng)力電池中的應(yīng)用，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CF
作者 | 賈明正 馬梓良 黑中磊（賈明正 馬梓良 黑中磊）
導(dǎo)讀：為了更好地研究液冷管在動(dòng)力電池中的應(yīng)用，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）仿真分析軟件，研究了液冷管包裹程度和包裹方式對(duì)動(dòng)力電池冷卻效果的影響。仿真結(jié)果表明：在達(dá)到冷卻效果的前提下，可以適當(dāng)減少液冷管對(duì)電池模組的包裹程度，即通過降低液冷管高度達(dá)到減少電池模組質(zhì)量和節(jié)省材料的目的；在相同包裹面積的情況下，采取不同包裹方式，對(duì)電池模組會(huì)產(chǎn)生不同的冷卻效果，其中分段包裹式比直接包裹式好。
關(guān)鍵詞：液冷管；包裹程度；包裹方式；仿真分析
電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池在正常工作時(shí)會(huì)因?yàn)殇囯x子在電池內(nèi)部的脫嵌和嵌入、電流在電池及電池組內(nèi)的流動(dòng)、電池正負(fù)極電位的偏差以及電池內(nèi)各種微小的副反應(yīng)等 產(chǎn)生大量的熱量。由于電動(dòng)汽車電池包結(jié)構(gòu)比較緊湊，導(dǎo)致傳熱不暢，使得熱量堆積在電池包內(nèi)部，如熱量不盡快散出，會(huì)使電池處在高溫環(huán)境中。當(dāng)時(shí)間過長或溫度 超過許用上限時(shí)，它會(huì)嚴(yán)重影響動(dòng)力電池的壽命，甚至可能引起電池短路爆炸［1-3］。因此，電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的好壞直接關(guān)系到電池組的安全性能和充放電性能。
目前，對(duì)電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究主要包括仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究，其中仿真分析主要以電池生熱模型為研究對(duì)象，通過建立動(dòng)力電池生熱模型，分析探究電池模組發(fā)熱量。Jarrett等以冷卻液的壓降、平均溫度以及溫度均勻性作為目標(biāo)參數(shù)，通過改變蛇形冷板流道的位置和寬度優(yōu)化蛇形冷板。結(jié)果證明，單一流道設(shè)計(jì)可滿足壓降和平均溫度的要求，但均溫性并不理想［4］。顏藝提出了一種冷卻液和電池直接接觸的液冷系統(tǒng)，并對(duì)不同的流道布置方式進(jìn)行仿真分析［5］。YANG等研究了液態(tài)金屬用于液冷系統(tǒng)的可行性，通過仿真及實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用液態(tài)金屬時(shí)整體溫度更低、均溫性更好、循環(huán)泵消耗功率更低，適合在大功率放電和惡劣工況下使用［6］。勞玉玲研 究各參數(shù)對(duì)雙進(jìn)雙出微通道液冷板性能的影響，發(fā)現(xiàn)增大冷卻液入口雷諾數(shù)、流道寬度對(duì)電池組溫度影響較小，而改變進(jìn)出口位置可以改善電池模組的溫度均勻性［7］。
為了更好地研究液冷管在動(dòng)力電池中的應(yīng)用，本文研究液冷系統(tǒng)中的液冷管，建立電池模組相關(guān)模型，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真分析軟件進(jìn)行仿真分析，研究液冷管包裹程度和包裹方式對(duì)電池冷卻性能的影響。
1、液冷管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
液冷管結(jié)構(gòu)建立
在動(dòng)力電池的冷卻系統(tǒng)中，液冷管是一種高效率、低成本且無污染的冷卻部件。它通過熱傳導(dǎo)把電池充放電產(chǎn)生的熱量傳遞到冷板內(nèi)壁面上，然后由冷卻介質(zhì)通過 對(duì)流換熱把熱量帶走，再流經(jīng)整個(gè)冷卻系統(tǒng)將熱量釋放 后回到液冷管，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)往復(fù)的工作［8-9］。
由于研究重點(diǎn)是動(dòng)力電池液冷管路對(duì)冷卻性能的影響，因此對(duì)單體電池模型進(jìn)行簡化模擬計(jì)算，取消單體電池的正負(fù)極，直接用長90mm、寬18mm、高65mm的方形單體電池代替。電池模組由 3 塊方形鋰離子電池組成。液冷管采用較為常見的U形液冷管，材料為鋁。電池模組液冷結(jié)構(gòu)如圖1所示，可見液冷管包裹住單體電池。
包裹程度對(duì)比模型
在原模型基礎(chǔ)上，為了節(jié)省材料，建立多組不同高度的液冷管模型，分別設(shè)置液冷管高度為 20 mm、40 mm、 50 mm、55 mm、60 mm這5組液冷模型，與 65 mm（全包裹式）液冷模型進(jìn)行仿真對(duì)比分析。6組液冷管結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用居中方式進(jìn)行包裹。
包裹方式對(duì)比結(jié)構(gòu)模型
對(duì)于包裹方式研究，選用總高度為 60 mm 和 50 mm 的液冷管，分別將液冷管平均分為3段，間斷性地包裹在電池模組上，以研究包裹方式對(duì)動(dòng)力電池溫度的影響。它的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2、分析模型及條件建立
分析模型
電池模組網(wǎng)格劃分單元尺寸太大會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格平均質(zhì)量過差，仿真結(jié)果數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；單元尺寸太小導(dǎo)致軟件運(yùn)行時(shí)間過長，影響計(jì)算效率。經(jīng)過多次嘗試，將單元尺寸設(shè)置為 1 mm 最合適，網(wǎng)格質(zhì)量較好。液冷模型如圖 4 所示。
邊界條件建立
液冷管中流體為常用的50%乙二醇水溶液。
為了更好地顯示效果，動(dòng)力電池采用10C倍率放電，分別設(shè)置 3 塊方形單體電池，內(nèi)熱源為 49 676.89 W/m3，外界（空氣）與壁面對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)定為 10 W/（m2·K）。冷凝管道材料設(shè)置為鋁，冷卻液入口流速設(shè)置為0.4 m/s，入口溫度設(shè)置為20 ℃，環(huán)境溫度為25 ℃。
電池導(dǎo)熱系數(shù)［10］如表1所示。
3、仿真結(jié)果分析
無液冷管和全包式液冷管電池模組對(duì)比分析
在動(dòng)力電池10C倍率完全放電情況下，無液冷管和全包裹式液冷管電池模組的溫度云圖分別如圖5和圖6所示。


無液冷管和全包裹式液冷管的電池溫度對(duì)比分析結(jié)果，如表 2 所示。從兩組模型溫度數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果可以看出，在沒有加裝液冷管的情況下，電池組的最低溫度為30.12 ℃，最高溫度為31.81 ℃，溫差為1.69 ℃。加裝全包裹式冷凝管后，電池組的最低溫度為20.00 ℃，最高溫度為23.20 ℃，溫差為3.20 ℃。兩種方式的最高溫度相差 8.61 ℃，可見液冷管對(duì)電池模組冷卻效果比較明顯，但增大了電池溫差。

液冷管包裹程度對(duì)電池模組溫度的影響
統(tǒng)計(jì)安裝高度分別為65 mm、60 mm、55 mm、50 mm、40 mm、20 mm、0 mm 這 7 組不同液冷管時(shí)電池模組的最高溫度和最低溫度。通過數(shù)據(jù)分析，繪制折線圖如圖6所示。



通過對(duì)圖 6 分析可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)液冷管高度為 60 mm 時(shí)，電池模組最高溫度為23.92 ℃，與65mm液冷管相比， 電池模組最高溫度升高了0.71 ℃，溫差變化不大；當(dāng)液冷 管高度為55mm時(shí)，電池模組最高溫度為25.52 ℃，與65 mm 液冷管相比，電池模組最高溫度升高了2.32 ℃；當(dāng)液冷管高度為 50 mm 時(shí)，電池模組最高溫度為 27.16 ℃，與 65 mm 液冷管相比，電池模組最高溫度升高了 3.95 ℃；當(dāng)液冷管高度為 40 mm 時(shí)，電池模組最高溫度為 29.42 ℃，與 65 mm液冷管相比，電池模組最高溫度升高了6.21 ℃；當(dāng) 液冷管高度為 20 mm 時(shí)，電池模組最高溫度為 31.11 ℃， 與65 mm液冷管相比，電池模組最高溫度升高了7.90 ℃， 電池模組最高溫度逐漸接近沒有液冷管包裹的電池模組最高溫度。
通過觀察折線圖還可以看出，隨著電池模組包裹程度的不斷增加，不同高度的液冷管對(duì)電池模組冷卻效果的影響越來越不明顯。60mm液冷效果和65mm（全包裹 式）液冷效果相差甚微，不到 1 ℃。因此，在達(dá)到冷卻效果的前提下，可以適當(dāng)減少電池模組的包裹程度，即通過降低液冷管高度以達(dá)到降低電池模組質(zhì)量、提高電池能量密度以及節(jié)省材料的目的。
液冷管包裹方式對(duì)電池模組溫度的影響
為了使電池模組在達(dá)到冷卻效果后的溫度分布更加均勻，在液冷管包裹方式方面繼續(xù)進(jìn)行探究。高度為 60 mm 和 50 mm 的液冷管在不同包裹方式（直接包裹和分段式包裹）下的電池模組溫度云圖，分別如圖 7 和圖 8 所示。



液冷管直接包裹和分段式包裹的電池溫度對(duì)比分析結(jié)果，如表3所示。通過對(duì)比分析可知：在相同包裹面積下，分段式包裹要比直接包裹方式好，60 mm分段式包裹比直接包裹的電池最高溫度低 0.41 ℃，電池模組高低溫溫差小 0.38 ℃；50 mm分段式包裹比直接包裹的電池最高溫度低2.24 ℃，電池模組高低溫溫差小2.17 ℃。
因此，在相同包裹面積的情況下，采取不同包裹方式對(duì)電池模組會(huì)產(chǎn)生不同的冷卻效果，其中分段式包裹要比直接式包裹效果好。
4、結(jié)論
通過CFD仿真分析，得到以下結(jié)論：
①在達(dá)到冷卻效果的前提下，可以適當(dāng)減少液冷管對(duì)電池模組的包裹程度，即降低液冷管高度，達(dá)到減少電 池模組質(zhì)量和節(jié)省材料的目的。
②在相同包裹面積的情況下，采取不同包裹方式對(duì)電池模組會(huì)產(chǎn)生不同的冷卻效果，其中分段式包裹要比直接包裹式要好。
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