摘要:本文以方形锂离子电池组为研究对象，建立风冷式和液冷式锂离子电池组 的仿真模型，并对比不同散热方式下电池组的散热效果｡结果表明:对于风冷电池组,横向式比纵向式散热效果好;对液冷式电池组,其散热效果优于风冷电池组,增加冷却液入口流量能够提升电池组散热效果,保证电池组在合理的温度范围内工作。
1.研究背景
大力发展纯电动汽车是解决全球能源危机和环境污染问题的重要措施,而电池组是纯电动汽车的核心部件之一｡温度对锂离子电池容量､充放电性能､循环寿命等有直接影响｡电池在充放电过程中会释放大量的热量,使得电池温度会急剧上升,电池的温度过高和过低都会加速电池的老化过程,这就要求电池工作温度保持在20-45℃,电池模组间的温差应该控制在5℃以内｡
电池在工作过程中出现高温的情况需要冷却系统进行有效散热,最常见的冷却方式有空气冷却和液体冷却｡本文根据电池组具体几何形状及其散热结构,分别对比风冷和液冷两种散热方案,探究不同散热方案对电池包散热性能的影响规律｡
2.基于风冷的电池组散热仿真研究
本文研究的方形电池组是由90个单体电池组成,电池组外形尺寸41mm×174mm×205mm｡电池组是由9个电池模组组成,每个电池模组单元共有10个单体电池,图2.1为风冷电池组简化模型｡
2.1电池生热机理
电池单体的生热速率受电流密度､荷电状态以及环境温度等多因素影响,具有高度非线性,很难进行准确的测量｡因此,针对电池单体的生热速率,目前广泛使用Bernardi方程计算｡Bernardi电池生热速率方程如式(1)所示:
2.2电池热物性参数计算
电池材料各层热物性参数不相同,由于锂离子电池的层叠结构,其导热系数具有各向异性的特征｡根据热阻的串联和并联的原理,估算出电池各个方向的热物性参数｡其中,x方向表示厚度方向,y､z方向表示平行于电池方向面的水平方向和竖直方向｡各种材料物性参数如表1所示｡
2.3电池组风冷仿真分析
一般情况下,当流体速度小于1/3风速(340m/s)时,可将流体看作不可压缩流体,因此对汽车电池组来说,可将空气视作不可压缩流体｡本节使用FLUENT软件,选择标准Κ−ε湍流模型和SIMPLEC算法对电池组进行风冷仿真计算｡
电池组采用吹风散热方式,进风口压力为大气压,出风口为风扇出口边界条件,电池组一共有两组风扇｡电池组的壁面设为无滑移壁面边界条件｡
电池组散热性能评价指标有最高温度和最大温差两项｡环境温度20℃;忽略电池组与外界环境的辐射换热;在1C放电下,电池组总功耗为1.8KW,通过仿真来对比电池组纵向进风和横向进风两种方式对应的电池组散热效果｡下图2.2和图2.3分别为纵向进风和横向进风下电池组的温度云图｡
从图2.2可以看出纵向进风方式下电池组的最高温度位于出风口区域,从进风区域至出风区域,电池模组的温度呈依次升高的趋势,即出现了热级联现象｡从图2.3可以看出横向进风方式下电池组的最高温度位于中间区域,最低温度位于进风口区域,从整体上看,横向进风方式下电池组各个模组与气流的接触面积差异较小｡
表2.1为纵向进风和横向进风两种方式对应的电池组的最高温度和最大温差｡从表2.1可以看出,随着环境温度的升高,电池组最高温度呈升高的趋势,而电池组最大温差呈下降趋势;在相同环境温度下,横向进风方式下电池组的最高温度和最大温差均低于纵向进风方式｡当环境温度为30℃时,纵向进风方式下电池组最高49.12℃,横向进风方式下电池组最高41.04℃,均超过了电池的适宜工作温度范围｡因此当环境温度较高时,有必要增强电池组的散热能力,控制电池组的温度不能过高｡
3.基于液冷的电池组散热仿真研究
电池组采用液冷板式间接液冷散热,冷却液的导热系数为0.42w.m-1.k-1,液冷板通过导热垫与电池组连接,图2.4为液冷电池组简化模型｡
3.1电池组液冷仿真模型建立
一般情况下,对管道内流动液体视为不可压缩流体｡本节使用FLUENT软件,选择标准Κ−ε湍流模型和SIMPLEC算法对电池组进行液冷仿真计算｡冷却液的进口温度为20℃,电池组的壁面设为无滑移壁面边界条件｡采用最高温度和最大温差两项指标评价电池组散热性能｡环境温度20℃;忽略电池组与外界环境的辐射换热;在1C放电下,电池组总功耗为1.8KW｡
3.2电池组液冷仿真分析
计算收敛后提取电池组的温度云图,如图2.5所示｡从图2.5可以看出电池组的最高温度为40.06℃,最低温度为23.03℃,最大温差为17.03℃,与流道靠近的区域电池组温度最低｡
进一步计算不同进口流量下电池组的温度,下表3.1为不同进口流量下液冷电池组的最高温度和最大温差｡
从表3.1可以看出,随着进口流量的增大,电池组的最高温度和最大温差均不断降低,因此对于实际具体的电池组,要合理设定冷却液的入口流量,保证电池组的温度处在适宜的范围｡
4.总结
目前世界各国均在大力发展纯电动汽车,电池组的散热成为了关键因素｡只有对电池组进行良好的散热设计,将电池的工作温度和温差控制在许用范围内,才能有效保证电池组拥有较好的工作能力和较长的工作寿命｡本文对电池组散热方式进行研究,并对其进行温度场仿真,最后对结果进行分析,得出的结论可以作为电池组散热设计的参考｡
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