梁 波,歐陽(yáng)陳志,劉燕平,毛 聰,唐思綺,江清柏
(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué),工程車輛安全性設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410114;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué),工程車輛輕量化技術(shù)與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410114;3.中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083)
鋰離子電池以其高功率密度和充放電效率,廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車。電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)熱、極化熱和焦耳熱若得不到及時(shí)有效地發(fā)散,將會(huì)使電池溫度急劇升高,出現(xiàn)熱失控,甚至出現(xiàn)燃燒、爆炸等安全問(wèn)題[1-2]。當(dāng)電池的工作溫度在30~40℃時(shí),溫度每升高1℃,電池的使用壽命將會(huì)降低約2個(gè)月[3-4]。溫度分布的不均勻還會(huì)導(dǎo)致單體電池間出現(xiàn)電壓差異,個(gè)別單體電池提前降低至截止電壓,極大地降低了電池的充放電效率和使用壽命[5]。因此,通過(guò)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),將電池組的溫度維持在其最佳工作溫度范圍(鋰離子最佳工作溫度范圍為25~40℃,溫度差小于5℃[6]),對(duì)提高電池使用性能和壽命具有重要意義。
優(yōu)化電池組結(jié)構(gòu),改善流場(chǎng)條件以降低沿流場(chǎng)方向電池間的溫度差,是加快電池組散熱的有效方式之一。通過(guò)改進(jìn)電池組的擋板結(jié)構(gòu),拓寬電池間冷卻風(fēng)道的寬度[7],電池組沿流場(chǎng)方向設(shè)計(jì)成楔形[8],漸縮型導(dǎo)流板及漸擴(kuò)型引流板結(jié)構(gòu)[9],設(shè)計(jì)梅花形電池組[10]或其他結(jié)構(gòu)形式[11-13]等都能在不同程度平衡單體電池間流場(chǎng)壓力,提高散熱性能。
采用周期性往復(fù)冷卻氣流對(duì)電池組進(jìn)行散熱優(yōu)化,在散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上要求較低,能有效改善電池模塊的溫度不均勻性,具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值[14]。本文中提出一種基于有限元虛擬試驗(yàn)與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的往復(fù)流散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,對(duì)影響散熱性能的因素進(jìn)行優(yōu)選,得到了空氣的入口速度、溫度和往復(fù)周期3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律。
純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組模塊內(nèi)電池的二維排列方式如圖1所示[14],電池間距S1=S2=1.25D。圖1中網(wǎng)格部分表示仿真的計(jì)算域,即流體流過(guò)的區(qū)域。為避免出口出現(xiàn)回流對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響,將計(jì)算區(qū)域延長(zhǎng)為l2=4D。計(jì)算區(qū)域?yàn)?個(gè)18650型圓柱形單體電池組成的模塊,其三維幾何模型如圖2所示。單體電池參數(shù)參照文獻(xiàn)[15]選擇,具體數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 18650型鋰離子動(dòng)力電池單體電池規(guī)格
傳統(tǒng)的單向流空氣冷卻散熱系統(tǒng),冷卻空氣從電池組的一端進(jìn)入,另一端流出,造成空氣溫度沿著空氣流方向越來(lái)越高,下游電池的溫度高于上游電池的溫度,形成溫度梯度,而且這種溫度差異隨著放電倍率的增大而增大。
為了降低這種沿氣流方向的溫度差,采用一種周期性往復(fù)流,其工作原理如圖3所示,通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的空氣流道,在上半周期,兩個(gè)翻轉(zhuǎn)閥門在圖3(a)中位置,鼓風(fēng)機(jī)將自然風(fēng)或由汽車空氣提供的冷卻空氣吹入,由電池組右端進(jìn)入左端流出;下半周期如圖3(b)所示,冷卻空氣反向流動(dòng)。利用空氣流周期性逆轉(zhuǎn)降低單向空氣流產(chǎn)生的溫度梯度。
入口邊界條件設(shè)為適合不可壓縮氣體的速度入口,速度為3m/s,溫度為298.15K。出口與大氣相連,設(shè)置為大氣壓,即設(shè)置出口表壓為0。電池的初始溫度為298.15K。電池箱體與外部環(huán)境的熱交換量與電池箱體內(nèi)部的熱交換量相比可以忽略,將其設(shè)置為絕熱和恒溫壁面邊界。
電池外殼表面為雙邊壁面,將其設(shè)置為流固耦合邊界條件Couple類型,在流固交界面發(fā)生熱交換。壓力的離散方法選擇適用漩渦流的PRESTO格式,動(dòng)量和能量的離散方法選擇二階迎風(fēng)格式,壓力與速度耦合方法選擇適用非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的PISO方法[14]。
鋰離子電池內(nèi)部的生熱率由文獻(xiàn)[16]中建立的電池生熱速率模型確定,此模型假設(shè)電池內(nèi)部生熱速率均勻分布,其表達(dá)式為
(1)
設(shè)Rcell為電池的內(nèi)阻,mΩ,其隨溫度變化的方程[18]為
Rcell=-0.0001t3+0.0134t2-0.5345t+12.407
(2)
式中t為電池的攝氏溫度,℃。
因E0-U1=IRcell
故式(1)可改寫為
(3)
由式(1)~式(3)可知,電池內(nèi)部的生熱速率q不是恒定不變,而是隨著電池溫度的變化而改變,即與溫度相關(guān)的函數(shù)。因此,將在FLUENT中采用用戶自定義函數(shù)(UDF)對(duì)電池的電芯生熱率進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)生熱率隨溫度動(dòng)態(tài)變化。
采用往復(fù)流(冷卻空氣往復(fù)周期為1/4放電時(shí)間)與單向流兩種散熱方式,比較常溫下以3m/s的速度向電池模塊通以298.15K空氣的冷卻效果,如圖4所示。圖中下面兩幅小圖A和B分別為主圖中A、B兩處的放大圖。由圖4可見(jiàn),采用往復(fù)流的散熱效果明顯好于單向流。隨著放電倍率的增加,電池模塊的最高溫度和電池間溫度差增大,而采用往復(fù)流能明顯降低電池間的溫度差,提高電池模塊的溫度均勻性,且隨著放電倍率的增大,效果越明顯:在1C和13.33C放電倍率下,電池溫度均勻性分別提高了12.1%和62.4%。往復(fù)流還能降低模塊的最高溫度,只是降低的程度不如溫度差效果明顯。
圖5為采用往復(fù)流時(shí)電池以4C倍率放電, 以3m/s的速度通入298.15K的冷卻空氣,模塊內(nèi)各電池的溫度變化曲線圖。圖6為冷卻流發(fā)生反向時(shí)刻的溫度變化云圖。從圖5和圖6中可以看出,隨著放電深度的增加,電池溫度和溫度差增大,其溫度變化率曲線不像單向流方式呈現(xiàn)光滑的變化曲線,而是隨著冷卻空氣流向的變換上下波動(dòng)。
采用往復(fù)流能很大程度降低電池模塊單體電池間的溫度差,提高模塊的溫度均勻性,并能在一定程度上降低電池模塊的最高溫度,但是對(duì)于大倍率放電,其放熱量較多,為使其達(dá)到良好的使用性能和壽命,須通過(guò)調(diào)整溫度影響參數(shù)將其溫度和溫差控制在最佳溫度范圍。以下采用正交試驗(yàn),以較少試驗(yàn)次數(shù)獲得使鋰離子電池模塊的溫度和溫差在最佳范圍的影響參數(shù)組合。其試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為電池模塊的最高溫度和最低溫度控制在298.15~313.15K之間,且越低越好;溫度差小于5K,且越小越好[3-4,6]。
往復(fù)流散熱方式電池間的溫度影響參數(shù)包括冷卻空氣的入口速度、入口溫度及其往復(fù)周期。為便于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,確定試驗(yàn)因素的水平時(shí),盡量使各因素水平數(shù)相等。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)仿真,電池以4C倍率放電時(shí),空氣速度和空氣溫度分別控制在0.5~3m/s和278.15~298.15K,可能使溫度和溫度差達(dá)到試驗(yàn)指標(biāo),往復(fù)周期在短于1/4放電時(shí)間后,對(duì)溫度和溫差的影響不大。為了使結(jié)果具有一定精度和控制試驗(yàn)次數(shù),每個(gè)參數(shù)選擇4個(gè)水平,如表2所示。本試驗(yàn)共有3個(gè)試驗(yàn)因素,每個(gè)因素取4個(gè)水平,選用正交表L16(45)。為了便于描述,分別以字母A、B、C表示冷卻空氣入口速度、冷卻空氣溫度和往復(fù)周期。
表2 往復(fù)流散熱試驗(yàn)因素水平表(4C放電)
不考慮因素之間的交互作用,將設(shè)計(jì)參數(shù)按照所選L16(45)正交表安排填入即為正交試驗(yàn)方案。所擬定的往復(fù)流4C放電散熱正交試驗(yàn)方案和結(jié)果如表3所示。
根據(jù)所選正交試驗(yàn)表,為得到滿足試驗(yàn)指標(biāo)的最佳值,須進(jìn)行16次試驗(yàn),采用Fluent進(jìn)行虛擬試驗(yàn),即對(duì)往復(fù)流電池進(jìn)行熱分析并得到各因數(shù)水平下的虛擬試驗(yàn)指標(biāo)。進(jìn)行Fluent熱分析時(shí),幾何模型與參數(shù)設(shè)置同第1節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 往復(fù)流散熱正交試驗(yàn)方案及結(jié)果(4C放電)
3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果直觀分析
為分析各因素的水平組合對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律和各因素的重要程度,對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行均值和極差分析,結(jié)果如表4所示。
表4 往復(fù)流散熱試驗(yàn)結(jié)果均值及極差 K
從表4的試驗(yàn)結(jié)果平均值可知,對(duì)于溫度差試驗(yàn)指標(biāo),因素A、B、C的最低均值分別為水平4、3、4,因此,由溫度差試驗(yàn)指標(biāo)的均值確定的較優(yōu)方案為A4B3C4;同理,根據(jù)最高溫度試驗(yàn)指標(biāo)的均值確定的較優(yōu)方案為A3B3C2;根據(jù)最低溫度試驗(yàn)指標(biāo)的均值確定的較優(yōu)方案為A2B2C2。此時(shí),各設(shè)計(jì)因素采用上述優(yōu)水平組合能獲得可能的最優(yōu)方案。
趨勢(shì)分析是通過(guò)考察各因素水平與試驗(yàn)結(jié)果間的內(nèi)在聯(lián)系,分析試驗(yàn)因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響趨勢(shì),以尋找是否存在正交試驗(yàn)中沒(méi)有挑選出而可能是更好的水平,從而得到可能更優(yōu)的試驗(yàn)方案。一般使用效應(yīng)曲線圖來(lái)考察水平的影響趨勢(shì),橫坐標(biāo)為各因素的各水平,縱坐標(biāo)為相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果平均值。溫差、最高溫度和最低溫度3個(gè)試驗(yàn)因素水平的效應(yīng)曲線如圖7所示。
由圖7溫差指標(biāo)效應(yīng)曲線可見(jiàn):冷卻空氣入口速度(因素A)越大,試驗(yàn)結(jié)果越小,在整個(gè)水平區(qū)間內(nèi),其趨勢(shì)曲線為單調(diào)遞減。冷卻空氣的溫度(因素B)的變化得到趨勢(shì)曲線較平緩,說(shuō)明因素B的 變化對(duì)最高溫度的影響不大。往復(fù)周期(因素C)越大,試驗(yàn)結(jié)果越小,在整個(gè)水平區(qū)間,其趨勢(shì)曲線為單調(diào)遞減。
由圖7最高溫度和最低溫度指標(biāo)效應(yīng)曲線可見(jiàn):因素A冷卻空氣入口速度越大,兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果越小,在所選水平區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)為單調(diào)遞減的趨勢(shì);因素B冷卻空氣的溫度越小,兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果越小,在所選水平區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)為單調(diào)遞減的趨勢(shì)。隨著往復(fù)周期(因素C)的減小,兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果呈現(xiàn)略微的變化,趨勢(shì)曲線較平緩,說(shuō)明因素C的變化對(duì)最高溫度的影響不大。
極差大小反映相應(yīng)的試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果重要性的大小。極差值越大,表明該因素的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大,因素越重要。反之,表明該因素的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越小,因素重要性越小。各因素的極差值見(jiàn)表4,根據(jù)極差Ri的大小排出各試驗(yàn)指標(biāo)因素的主次順序,如表5所示。
表5 單一試驗(yàn)指標(biāo)優(yōu)方案
3.2.2 多指標(biāo)試驗(yàn)綜合平衡法結(jié)果分析
通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析,針對(duì)3個(gè)單一試驗(yàn)指標(biāo),得到如表5所示的優(yōu)化方案。而電池散熱的綜合性能是由最高溫度、溫度差和最低溫度3個(gè)指標(biāo)共同作用所決定。要得到最優(yōu)試驗(yàn)方案,則須綜合考慮這3個(gè)試驗(yàn)指標(biāo),對(duì)于典型的多指標(biāo)正交試驗(yàn)優(yōu)化問(wèn)題,一般采用綜合平衡法或綜合評(píng)分法得到最優(yōu)方案[19]。由于綜合評(píng)分法的加權(quán)評(píng)分較復(fù)雜,故采用相對(duì)簡(jiǎn)單的綜合平衡法進(jìn)行分析。
綜合平衡法是先分別考察每個(gè)因素對(duì)各指標(biāo)的影響,然后進(jìn)行分析比較,確定出最好的水平,從而得出最好的試驗(yàn)方案[20]。如表5所示因素A對(duì)指標(biāo)溫度差的影響排在第1位,取A4;因素B對(duì)指標(biāo)最高溫度和最低溫度的影響都排在第1位,可選B2(293K)或B3(288K),考慮到空調(diào)提供的溫度越低,須消耗的能量越多,考慮經(jīng)濟(jì)性選擇B2;C因素對(duì)指標(biāo)最高溫度和最低溫度的影響都排在第3位,而對(duì)指標(biāo)溫度差排在第2位,取C4。因此,根據(jù)3個(gè)指標(biāo)綜合初步確定其較優(yōu)方案組合為A4B2C4。
方案A4B2C4在16次模擬試驗(yàn)中沒(méi)有出現(xiàn),經(jīng)Fluent重新計(jì)算,得到其各單體電池表面的平均溫度,結(jié)果如圖8所示,電池間的溫度分布較均勻,溫度差為1.39K,但其最低溫度為297.96K,比電池最優(yōu)工作溫度范圍的最低溫度298.15K低0.19K;根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析,為提高電池模塊的最低溫度,可降低因素A(冷卻空氣入口速度)的值或提高因素B(冷卻空氣溫度)的值,分別得到優(yōu)化方案A3B2C4(第10次試驗(yàn))和A4B1C4(第13次試驗(yàn))。
從整體效果看,方案A3B2C4的試驗(yàn)結(jié)果最好,其得到的溫度差與A4B2C4和A4B1C4相比相差不大,但是其各單體溫度在最優(yōu)工作溫度范圍且較低。因此A3B2C4為最優(yōu)方案,即冷卻空氣入口速度為2m/s,冷卻空氣溫度為293.5K,往復(fù)周期為225s。
(1)鋰離子電池模塊采用往復(fù)流散熱的溫度均勻性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)單向流散熱方式:常溫下,冷卻空氣速度為3m/s,往復(fù)周期為1/4放電時(shí)間時(shí),在1C和13.33C放電倍率下,電池溫度均勻性分別提高了12.1%和62.4%。
(2)電池試驗(yàn)指標(biāo)的直觀分析結(jié)果表明,影響試驗(yàn)指標(biāo)最高溫度和最低溫度的最重要因素是冷卻空氣的溫度,冷卻空氣的速度次之,且兩個(gè)因素對(duì)它們的影響都呈現(xiàn)單調(diào)遞減;往復(fù)周期對(duì)其結(jié)果影響不明顯;影響試驗(yàn)指標(biāo)溫度差的兩個(gè)重要因素是往復(fù)周期和冷卻空氣速度,且影響趨勢(shì)都呈現(xiàn)單調(diào)遞減,冷卻空氣溫度對(duì)其結(jié)果影響不明顯。
(3)采用綜合平衡分析法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,綜合考慮最高溫度、溫差和最低溫度3個(gè)試驗(yàn)指標(biāo),得到4C放電時(shí)試驗(yàn)因素冷卻空氣速度、溫度和往復(fù)周期的最優(yōu)組合A3B2C4。
[1] Balakrishnan P G,Ramesh R,Kumar T P.Safety Mechanisms in Lithium-ion Batteries[J].Journal of Power Sources, 2006,155(2): 401-414.
[2] 梁金華,李建秋,盧蘭光,等.純電動(dòng)車電池組散熱必要性的初步分析[J].汽車工程,2012,34(7): 320-323.
[3] Kizilel R,Lateef A,Sabbah R,et al.Passive Control of Temperature Excursion and Uniformity in High-energy Li-ion Battery Packs at High Current and Ambient Temperature[J].Journal of Power Sources,2008,183(1): 370-375.
[4] Chacko S,Chung Y M.Thermal Modelling of Li-ion Polymer Battery for Electric Vehicle Drive Cycles[J].Journal of Power Sources,2012,213: 296-303.
[5] Karimi G,Li X.Thermal Management of Lithium-ion Batteries for Electric Vehicles[J].International Journal of Energy Research,2012,37(1): 13-24.
[6] Pesaran A A.Battery Thermal Models for Hybrid Vehicle Simulations[J].Journal of Power Sources,2002,110(2): 377-382.
[7] 許超.混合動(dòng)力客車電池包散熱系統(tǒng)研究[D].上海: 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,2010: 65-70.
[8] Kazuo T,Toshiyuki S,Fumihiko A,et al.Development of Battery System For Hybrid Vehicle[C].EVS-15,1998.
[9] 王麗娜,楊凱,惠東,等.儲(chǔ)能用鋰離子電池組熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2012,135(11): 1351-1353.
[10] 樓英鶯.混合動(dòng)力車用鎳氫電池散熱系統(tǒng)研究[D].上海: 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,2007.
[11] Osamcu W.Battery Cooling Structur: American,06613472[P].2003-09.
[12] 朱曉彤.Rav-4電動(dòng)汽車電池組風(fēng)冷系統(tǒng)的研究[D].南京: 南京航空航天大學(xué),2007: 38-48.
[13] 徐曉明.微型純電動(dòng)汽車動(dòng)力艙風(fēng)冷散熱研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2012,27(7): 1532-1536.
[14] Mahamud R,Park C.Reciprocating Air Flow for Li-ion Battery Thermal Management to Improve Temperature Uniformity[J].Journal of Power Sources,2011,196(13): 5685-5696.
[15] Sabbah R,Kizilel R,Selman J R,et al.Active(air-cooled) vs.Passive(phase change material) Thermal Management of High Power Lithium-ion Packs: Limitation of Temperature Rise and Uniformity of Temperature Distribution[J].Journal of Power Sources,2008,182(2): 630-638.
[16] Berdadi D,Pawlikowski E,Newman J.A General Energy Balance for Battery Systems[J].Journal of the Electrochemical Society,1985,132(1): 5-12.
[17] Srinivasan V,Wang C Y.Analysis of Electrochemical and Thermal Behavior of Li-ion Cells[J].Journal of the Electrochemical Society,2003,150(1): A98-A106.
[18] Park C,Jaura A K.Dynamic Thermal Model of Li-ion Battery for Predictive Behavior in Hybrid and Fluel Cell Vehicles[J].Society of Automotive Engineers,2003,112(3): 1835-1842.
[19] 蒙哥馬利.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].北京: 人民郵電出版社.2009: 126.
[20] 陳魁.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].北京: 清華大學(xué)出版社.2005: 82.