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        電池包鋁型材冷板流道性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        2020-04-20 11:07:13張萬良徐丹黃愛輝
        時代汽車 2020年4期
        關(guān)鍵詞:冷板流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        張萬良 徐丹 黃愛輝

        摘 要:鋰離子動力電池作為電動汽車的主要動力來源,在電動車輛的設(shè)計開發(fā)中具有舉足輕重的作用,但其性能受溫度影響較大。本文提出一種鋁型材液冷式鋰電池散熱結(jié)構(gòu),并用STAR-CCM+軟件通過正交實(shí)驗(yàn)的方法分析了液冷板流道開槽深度對流量均勻性的影響。結(jié)果表明,合理的開槽深度可以提高液冷板內(nèi)的流量均勻性,從而改善冷板的溫度均衡性。

        關(guān)鍵詞:冷板;流道;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;STAR-CCM+

        1 引言

        電動汽車由于其所具有的環(huán)境友好性,越來越受到人們的重視,其發(fā)展也呈現(xiàn)出蓬勃之勢。鋰電池由于其循環(huán)壽命長、安全性高等特點(diǎn)引起了越來越多人的青睞。然而,由于鋰離子電池的固有特性,溫度對其使用性能有著顯著的影響[1-3]。有文獻(xiàn)指出鋰離子電池的適宜工作溫度區(qū)間在10~30℃之間[4]。

        因此,對鋰離子動力電池的工作溫度進(jìn)行合理的控制,成為解決其性能、壽命與安全問題的關(guān)鍵。而相較于其他冷卻方式,液冷因其效率高,溫度響應(yīng)迅速[5],成為冷卻系統(tǒng)首選冷卻方式(表1)。液冷方式的選擇,決定了冷板成為電池冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件,冷板性能的差異在很大程度上決定了電池冷卻系統(tǒng)的差異。而流量均勻性作為衡量液冷板冷卻性能的一個重要指標(biāo),其對最終鋰電池冷卻效果有著重要的影響[6]。本文采用數(shù)值模擬及正交試驗(yàn)的方法研究了液冷板開槽深度對流量均勻性的影響,以期為液冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可參考的模型。

        2 研究對象

        本文的研究對象為擠壓成型冷板(鋁合金型材),冷板整體厚度為10mm,內(nèi)部中空,流道擋板通過擠壓成型。本文通過調(diào)整鋁合金型材的流道擋板開槽的深度,尋找對各流道均勻性的關(guān)鍵性影響因素,從而為后續(xù)冷板開發(fā)提供參考。圖1為冷板結(jié)構(gòu)示意圖,圖2標(biāo)記了流道內(nèi)冷卻液流向。

        3 研究方法

        大多數(shù)工程產(chǎn)品的開發(fā)和改進(jìn)均基于對影響產(chǎn)品性能的參數(shù)的系統(tǒng)分析,在STAR-CCM+中,可以通過設(shè)計管理器(Design Manager)自動完成產(chǎn)品的設(shè)計探索過程。本文基于STAR-CCM+軟件平臺,完成了從CAD模型建立、網(wǎng)格劃分、物理模型選擇、邊界條件定義、運(yùn)算求解到設(shè)計優(yōu)化的多步驟模擬,最終得到最優(yōu)的冷板流道設(shè)計方案。

        通過圖3可以看出,流道為S形結(jié)構(gòu),在每個180°折彎處(共計五處)均需要開槽以保證流道連通,其中L1、L2、L3分別為開槽深度尺寸。本文將冷板流道的開槽深度尺寸L1、L2、L3定義為設(shè)計變量(圖5),并將其變化范圍(40mm~60mm)和變化步長(5mm)作為約束條件(表2),目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為流道橫截面(圖5虛線所示)流速的標(biāo)準(zhǔn)偏差(公式1)和統(tǒng)一性(公式2)。

        本文之所以采用表2中的約束條件,是綜合考慮了冷板加工工藝的限制。同時,為避免計算過程過于冗長,在滿足設(shè)計需求的前提下,將設(shè)計變量的變化步長設(shè)定為5mm。

        通過以上設(shè)置,共可得到125組對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)組合。SATR-CCM+軟件將自動運(yùn)行這些設(shè)計參數(shù)組合所對應(yīng)的仿真模型,最終給出每組設(shè)計參數(shù)組合所對應(yīng)的流速標(biāo)準(zhǔn)偏差φ與統(tǒng)一性。

        4 結(jié)果與討論

        本文將冷板隔板開槽深度為可以調(diào)整的參數(shù),通過為L1、L2、L3設(shè)定變化范圍,得到共計125組對應(yīng)尺寸(圖4)。進(jìn)一步通過分析計算,一共得到兩組最優(yōu)解,其設(shè)計參數(shù)分別為L1:45,L2:60,L3:45以及L1:55,L2:60,L3:45。此兩組設(shè)計參數(shù)對應(yīng)下的各流道流量具有最小的標(biāo)準(zhǔn)偏差,即流道間的流量均勻性最佳。同時,也進(jìn)一步得出一組最差解,其設(shè)計參數(shù)為L1:50,L2:60,L3:50。

        進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行控制變量法分析,我們可以發(fā)現(xiàn):

        ① 當(dāng)設(shè)置L1為固定值時,隨著其尺寸的增大,最優(yōu)解的L2的尺寸為較大值(55、60),L3尺寸則表現(xiàn)為較小值(40、45)。

        ② 當(dāng)設(shè)置L2為固定值時,隨著L2數(shù)值的增大,最優(yōu)解的L1的尺寸較大(55、60),而其L3尺寸較?。?0、45)。

        ③ 當(dāng)設(shè)置L3為固定值時,隨著L3數(shù)值的增大,最優(yōu)解的L1和L2尺寸均為較大值(55、60)(圖5)(圖6)。

        從計算結(jié)果可以看出,L3尺寸較短時,各流道內(nèi)的流量分配更趨向于均勻。較短的L3代表最外側(cè)流道的擋板尺寸較長,能夠較有效的阻止冷卻液集中流入最外側(cè)流道。圖7、圖8為最優(yōu)解與最差解之間的對比??梢钥闯觯浒鍍?nèi)各流道之間的流速分布并不均勻。通過調(diào)整流道隔板的開槽深度,我們得到圖6的仿真結(jié)果,流道之間的流速分布趨于一致,并且渦流區(qū)域有所減小。這樣,對于電池溫度均衡將起到積極的作用。由此推斷,在流道寬度、高度尺寸保持不變的情況下,通過更改流道隔板的開槽深度,將影響流道內(nèi)流速分布均勻性。

        5 結(jié)論

        液冷冷板的性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是液體散熱系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要研究方向。本文結(jié)合擠壓成型冷板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),利用STAR-CCM+中的優(yōu)化設(shè)計技術(shù),通過設(shè)置變量與目標(biāo)函數(shù)的方式,以隔板開槽深度(三個尺寸)作為設(shè)計變量,以流道間流量均勻性作為目標(biāo)函數(shù),最終獲得三個參數(shù)的最佳組合,并得出以下結(jié)論:

        ① 在隔板開槽深度的三個變量中,并不是某單一的變量起決定性作用,而是三者共同作用的結(jié)果。其中,L2為大尺寸時可以獲得較為優(yōu)良的效果。

        ② 針對本文中的冷板結(jié)構(gòu),合理的隔板開槽深度(L1:45,L2:60,L3:45及L1:55,L2:60,L3:45)可以獲得良好的流量均勻性。

        參考文獻(xiàn):

        [1]平平. 鋰離子電池?zé)崾Э嘏c火災(zāi)危險性分析及高安全性電池體系研究[D]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2014.

        [2]梁金華,李建秋,盧蘭光,等. 純電動車電池組散熱必要性的初步分析[J]. 汽車工程,2012(07):25-27.

        [3]許守平,侯朝勇,胡娟,et al. 大規(guī)模儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)[J]. 電力建設(shè),35(5).

        [4]張劍波,盧蘭光,李哲. 車用動力電池系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與學(xué)科前沿[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報,2012(02):5-22.

        [5]董鋒. 液冷冷板內(nèi)S型及S型加分流片流道仿真與優(yōu)化[D]. 西安電子科技大學(xué),2011.

        [6]Chaofeng Pan,Qiming Tang,Zhigang He,et al. Structure Optimization of Battery Module With a Parallel Multi-Channel Liquid Cooling Plate Based on Orthogonal Test. International Journal of Heat and Mass Transfer[J],2020,17(2).

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