作为电动汽车的主要动力源,锂离子电池的化学过程将产生大量的热,必须对产生的热量进行管理,防止温度过高导致电池性能衰减｡一个好的热管理系统必须能够在不过度限制电池性能的情况下,将电池温度保持在一个合适范围内｡
Dang T和Teng JT发现微型通道传热器的传热率高于微通道的传热率,压降也高于微通道的压降｡Zhang YP等人提出了一种适用于高热流密度和高散热要求的电子器件冷却的新型冷板,可使电芯最大温度比传统冷板降低约40%｡南爵将相变材料石蜡应用于电池模组的热管理系统,结果表明,石蜡发生相变对于温度上升有明显的抑制作用｡梁波等采用了一种往复流冷却方式,使冷却空气流动方向周期性改变,以降低单体电池沿空气流方向的温度梯度｡
本文采用计算流体力学(CFD)仿真方法,对具有分流翅片液冷板的方壳锂电芯模组进行不同放电倍率下的动力电池模组温度分布和液冷板内部传热特性分析｡
1数学模型
2仿真模型
2.1三维模型搭建
单个动力电池模组内含有12支38 A·h三元锂离子电芯｡距离冷却液入口最近的电芯编为1号,距离最远的电芯编为12号,依次编号｡三维模型网格尺寸2 mm,最终生成网格数为614 874个｡动力电池模组以及液冷板网格如图1和图2所示｡
2.2边界条件设定
三维仿真计算的边界条件与不同放电工况设置分别见表1和表2｡
3计算结果分析
3.1动力电池模组仿真结果分析
针对具有12个三元锂离子电芯的动力电池模组,建立了三维模型,并对模组在1C､2C和3C的放电倍率下,仿真研究动力电池模组的温度分布情况,结果如图3和图4所示｡
1C､2C､3C的放电倍率下,每个电芯的产热功率分别为3.05 W､10.93 W､21.86 W,初始温度为25 ℃｡由图3可以看出,在1C､2C､3C放电倍率下放电结束后,模组最高温度分别为29.36 ℃､35.38 ℃､42.33 ℃,较初始值分别升高了4.36 ℃､10.38 ℃､17.33 ℃｡同时模组最低温度分别为27.31 ℃､28.43 ℃､29.79 ℃,整个模组的最大温差分别为2.05 ℃､6.95 ℃､12.54 ℃｡模组纵向的导热速度小于冷却液的传热速度,导致模组顶部的热量未及时被冷却液带走,因此模组顶部温度高于底部温度｡由图4可知,1C､2C和3C的放电倍率下,不同电芯的平均温度不同,靠近冷却液入口的电芯平均温度要低于远端的电芯平均温度,且10号电芯的平均温度最高,1号电芯的平均温度最低,两者分别相差0.09 ℃､0.29 ℃､0.45 ℃｡由于11号､12号电芯靠近侧面端板,而端板具有一定的吸热作用,因此10号､11号､12号电芯的平均温度依次降低｡相较于1C和2C,在3C放电倍率下,模组､电芯平均温度的最大温差均变大｡
3.2液冷板仿真结果分析
液冷板内部流场的压力分布和温度分布如图5和图6所示｡由图5可知,冷却液入口附近流体压力较高,最大为102.11 kPa,冷却液出口附近压力分布较为均匀,液冷板最大压差约为0.96 kPa,约为最大压力的0.94%｡
由图6可知,冷却液温度由入口到出口处逐渐升高,在10号电芯位置附近温度达到最高,传热效率下降,此处附近电芯温度较高｡这符合上文得出的电芯平均温度分布结果｡在分流翅片之间,冷却液温度达到局部最大,说明分流翅片加强了冷却液的局部流动,进而提高了冷却液与电芯的传热效率｡
4结束语
随着用户对电动汽车性能和安全要求的不断提高,动力电池热管理系统技术也随之快速发展,需保证电池在合适温度下运行,防止电池出现热失控｡具有分流翅片的液冷板可提高冷却液与电芯的传热效率,进而强化动力电池模组的散热效果,提高动力电池运行的安全性｡
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