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        高功率動力電池模組匯流排熱管理優(yōu)化研究

        2020-07-07 02:39:16高斌田闊趙二明朱詠光劉立業(yè)
        汽車零部件 2020年6期
        關(guān)鍵詞:匯流排銅排截面積

        高斌,田闊,趙二明,朱詠光,劉立業(yè)

        1.北汽福田汽車股份有限公司,北京 102200;2.北京華特時代電動汽車技術(shù)有限公司,北京 101300;3.江西昌河汽車有限公司北京分公司,北京 101300)

        0 引言

        動力電池模組在大電流充放電過程中,由于存在電芯內(nèi)阻、極耳與匯流排的接觸電阻、匯流排電阻等原因,模組會出現(xiàn)顯著溫升;模組匯流排受與電芯極耳直接焊接接觸、截面積有限等因素影響,溫升速率會更明顯[1],尤其是模組總正、總負截面積較小位置。模組匯流排溫度的過快升高,會局部增加電芯極耳區(qū)域的溫度,加劇正極粘結(jié)劑分解、不可逆相變和過渡金屬元素的溶解等問題,負極一側(cè)會產(chǎn)生SEI膜生長加速,消耗電池內(nèi)部有限的活性Li,導(dǎo)致電池不可逆容量損失[2]。另外,模組溫度監(jiān)控點多布置在匯流排表面,匯流排的溫度過快升高,也會造成電池系統(tǒng)提前出現(xiàn)功率限制故障,進而影響用戶體驗,甚至存在安全隱患[3]。

        優(yōu)越的加速性能,是電動汽車相比燃油車帶給用戶的最大體驗,因此電動汽車對加速性能要求逐步提高,多數(shù)中高端純電動轎車更是配置S擋加速工況,電機配置峰值功率非常大,動力電池系統(tǒng)峰值放電倍率需求達到6C以上,對動力電池系統(tǒng)散熱能力提出較高要求?,F(xiàn)在動力電池系統(tǒng)一般通過配置液冷系統(tǒng)來匹配大功率放電工況,但是液冷板更容易在模組底部布置[4-5],對模組上部匯流排較難起到迅速散熱作用;雖然模組匯流排可以通過增大截面積、優(yōu)化結(jié)構(gòu)來減小電阻,降低溫升,但這會帶來物料成本、工藝難度的提高,也會影響電池系統(tǒng)能量密度;因此需要在匯流排結(jié)構(gòu)、工藝不變條件下,探索動力電池模組匯流排熱管理優(yōu)化設(shè)計方案,提高在高功率工況下的應(yīng)用能力,同時避免模組局部溫升過高對電池壽命及安全性的影響。

        1 仿真分析

        1.1 模組設(shè)計優(yōu)化

        原匯流排集成板設(shè)計外觀見圖1,匯流排集成板與電芯焊接區(qū)域尺寸為600 mm×160 mm(長度×寬度),由60 mm×40 mm(長度×寬度)、厚度3 mm銅排串并聯(lián)組成,每組銅排并聯(lián)2個36 A·h單體,30組單體再串聯(lián)組成76 A·h/108 V模組;模組總正、總負銅排寬度25 mm、厚度3 mm;總負銅排長度是總正銅排3倍左右,且需要避開BMS從板,因此有一處顯著彎折異形結(jié)構(gòu)。

        圖1 匯流排設(shè)計外觀

        通過增大模組匯流排截面積、優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以減小電阻,進而降低匯流排溫升[1],甚至可以在匯流排上部布置液冷裝置輔助散熱,但這會帶來模組物料、工藝成本的增加,而且影響電池系統(tǒng)能量密度。導(dǎo)熱硅脂是一種高導(dǎo)熱絕緣的有機硅材料,在-50~230 ℃范圍內(nèi)長期使用可保持膏狀狀態(tài),浸潤散熱表面,形成良好導(dǎo)熱通道[6],適合用于電池匯流排的散熱環(huán)境。因此,在不改變匯流排結(jié)構(gòu)設(shè)計條件下,通過在匯流排上表面涂布導(dǎo)熱硅脂改善散熱,高度不超過模組上沿最高點,同時最外層覆蓋2 mm厚導(dǎo)熱硅膠墊,起到限制導(dǎo)熱硅脂溶劑揮發(fā)及流動的作用,也可進一步輔助導(dǎo)熱硅脂散熱;總正、總負銅排探出模組區(qū)域,局部涂布2 mm厚導(dǎo)熱硅脂,再包裹一層導(dǎo)熱硅膠墊;匯流排集成板優(yōu)化改制后外觀見圖2。

        圖2 匯流排優(yōu)化后設(shè)計外觀

        1.2 仿真條件

        (1)動力電池模組三維數(shù)模使用HyperMesh軟件進行前期網(wǎng)格處理,網(wǎng)格尺寸取0.5 mm,使用STAR-CCM+流體力學(xué)軟件進行溫度場仿真,不同材質(zhì)物料物理特性參數(shù)設(shè)置見表1;(2)初始及環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃,最上部導(dǎo)熱硅膠墊可以與環(huán)境進行熱交換;(3)為簡化模型,暫不考慮模組電芯產(chǎn)熱、散熱對匯流排影響;(4)模組工作采用450 A/5 s+0 A/3 s循環(huán)峰值加速/減速工況進行放電,總循環(huán)仿真時間150 s后分析匯流排溫升及溫度場變化情況。

        表1 材料物理特性參數(shù)

        1.3 仿真結(jié)果與分析

        原動力電池模組匯流排,在450 A/5 s+0 A/3 s循環(huán)工況條件下,進行150 s仿真后溫度場數(shù)據(jù)見圖3。模組與電芯焊接區(qū)域銅排截面積最大,溫度整體偏低,在67~75 ℃內(nèi);總正銅排截面積小且長度較短,溫度最高為95 ℃;總負銅排截面積小且長度較長,溫度最高為133 ℃,而且在彎折處溫度最高,由于電流傾向通過路徑最短的位置,分析彎折異形結(jié)構(gòu)會造成該區(qū)域電流密度分布不均勻,局部溫度升高[7-8]。表明匯流排銅排截面積越小、長度越長,則溫升越高,且銅排異形結(jié)構(gòu)會局部增大電流密度,進而增加溫升。

        圖3 原模組匯流排溫度場仿真

        涂布導(dǎo)熱硅脂及覆蓋導(dǎo)熱硅膠墊改制的動力電池模組匯流排,在450 A/5 s+0 A/3 s循環(huán)工況持續(xù)150 s條件下,仿真后溫度場數(shù)據(jù)見圖4。模組與電芯焊接區(qū)域銅排溫度整體偏低,在43~53 ℃內(nèi),總正銅排溫度最高為68 ℃,總負匯流排溫度最高為101 ℃,溫度場變化趨勢與原模組匯流排一致;但是匯流排整體溫度也較原模組匯流排降低17~32 ℃,且總負銅排彎折結(jié)構(gòu)處溫升改善最明顯,進一步表明涂布導(dǎo)熱硅脂方式可顯著降低銅排溫升。

        圖4 優(yōu)化后模組匯流排溫度場仿真

        2 物理試驗驗證

        2.1 試驗方案及條件

        設(shè)備:采用美凱麟MMT2-300-0100設(shè)備進行模組充放電測試,電壓量程0~120 V,電流量程±300 A,若實際電流超出量程,可進行充放電通道并聯(lián)。

        物料:兩套72 A·h/108 V電池模組;導(dǎo)熱硅脂為電子電器用有機酮導(dǎo)熱硅脂,導(dǎo)熱系數(shù)3.5 W/(m·K);導(dǎo)熱硅膠墊厚度2 mm,導(dǎo)熱系數(shù)1.2 W/(m·K)。

        試驗方案:(1)動力電池模組匯流排上表面均勻涂布導(dǎo)熱硅脂,上表面覆蓋一層2 mm導(dǎo)熱硅膠墊,總正、總負銅排探出模組區(qū)域,局部涂布2 mm厚導(dǎo)熱硅脂,再包裹一層導(dǎo)熱硅膠墊,改制方法見圖2;(2)(23±2 ) ℃室溫環(huán)境下,優(yōu)化后電池模組與原電池模組串聯(lián),然后與充放電設(shè)備連接;(3)監(jiān)控兩個動力電池模組總負(銅排彎折結(jié)構(gòu)位置)、總正(靠近模組本體位置)、匯流排與模組電芯焊接區(qū)域(模組左、模組中、模組右)、端板位置溫度;(4)采用450 A/5 s+0 A/3 s循環(huán)峰值加速/減速工況進行放電,監(jiān)控匯流排最高溫度達到80 ℃后停止試驗。詳細物理試驗裝置圖見圖5。

        圖5 物理試驗裝置

        2.2 試驗結(jié)果及分析

        試驗進行到540 s時,原電池模組總負銅排觸發(fā)80 ℃最高溫度,試驗終止,相關(guān)數(shù)據(jù)匯總分析如下:

        2.2.1 模組區(qū)域匯流排溫度分析

        在匯流排集成板與模組電芯焊接區(qū)域,模組左、模組中、模組右溫度監(jiān)控點溫升監(jiān)控數(shù)據(jù)見表2、圖6。熱管理改制優(yōu)化后的模組,在模組焊接區(qū)域的匯流排,整體溫升較原匯流排改善1.2~1.8 ℃,溫升降低趨勢并不明顯。分析該區(qū)域匯流排本身銅排截面積較大,且焊接的電芯極耳也為金屬材質(zhì),熱量可較快地被電芯極耳及匯流排本身直接傳導(dǎo)到空氣中,另外該區(qū)域模組試驗終止溫度小于30 ℃,與室溫(23±3 ) ℃溫差較小,導(dǎo)熱硅脂及導(dǎo)熱硅膠墊難以起到較為明顯的輔助散熱作用。

        表2 模組焊接區(qū)域溫升數(shù)據(jù)

        圖6 模組焊接區(qū)域銅排溫升曲線

        2.2.2 總正、總負匯流排溫度分析

        總正、總負銅排溫度監(jiān)控點數(shù)據(jù)見表3、圖7。物理試驗數(shù)據(jù)表明:原電池模組總正銅排溫度較總負銅排偏高一些,與仿真結(jié)果不一致。分析由于方形、軟包鋰離子電芯放電正極溫度較負極偏高[2],因此導(dǎo)致原電池模組總正銅排溫度也較總負銅排溫度偏高。但是模組經(jīng)過熱管理優(yōu)化后,總正、總負銅排溫升相比原電池模組均產(chǎn)生明顯改善;總正銅排溫升改善最明顯,為15.8 ℃,分析總正銅排溫度監(jiān)控點靠近模組本體區(qū)域,模組本體導(dǎo)熱硅脂涂布面積更大,更大程度上促進了總正銅排散熱;總負銅排溫度監(jiān)控點為彎折結(jié)構(gòu)位置,該異形結(jié)構(gòu)區(qū)域一般是銅排溫度最高位置[7],但該位置局部涂布導(dǎo)熱硅脂后也有8.8 ℃溫升改善,表明涂布導(dǎo)熱硅脂也是銅排異形結(jié)構(gòu)局部散熱的有效手段。

        表3 總正、總負區(qū)域溫升數(shù)據(jù)

        圖7 總正、總負區(qū)域溫升曲線

        涂布導(dǎo)熱硅脂及導(dǎo)熱硅膠墊除了可以輔助匯流排直接向空氣傳導(dǎo)熱量,通過監(jiān)控動力電池模組端板溫度表明,熱管理改制優(yōu)化后的模組端板溫升較快,在試驗終止時溫度偏高2.3 ℃,詳細數(shù)據(jù)見圖8;表明導(dǎo)熱硅脂也增大了匯流排集成板與模組機械組件的接觸面積,部分熱量通過模組機械組件物理途徑進行了熱傳導(dǎo)。

        圖8 模組端板區(qū)域溫升曲線

        3 結(jié)論

        通過流體力學(xué)軟件仿真表明:匯流排銅排截面積越小、長度越長,則溫升越高,且銅排折彎結(jié)構(gòu)構(gòu)造也會增加溫升;在不改變匯流排結(jié)構(gòu)、工藝條件下,通過涂布導(dǎo)熱硅脂及覆蓋導(dǎo)熱硅膠墊,模組匯流排整體溫升改善17~32 ℃,尤其銅排折彎處溫升改善更明顯。

        物理試驗結(jié)果表明:在6C倍率高功率工況循環(huán)條件下,通過匯流排涂布導(dǎo)熱硅脂及覆蓋導(dǎo)熱硅膠墊改制的電池模組,對匯流排截面積較大的模組焊接區(qū)域熱管理優(yōu)化不明顯,溫升相對改善1~2 ℃;但對截面積較小的總正銅排,甚至總負銅排異形結(jié)構(gòu)區(qū)域,都有明顯溫升改善作用,溫升相對改善達到8.8~15.8 ℃,且越靠近導(dǎo)熱硅脂涂布大面積區(qū)域,溫升改善效果越明顯。通過涂布導(dǎo)熱硅脂及導(dǎo)熱硅膠墊,除了輔助匯流排直接向空氣傳導(dǎo)熱量,也通過增大匯流排集成板與模組機械組件的接觸面積,增加了熱傳導(dǎo)途徑。

        因此,針對動力電池模組匯流排高功率應(yīng)用場景,除了通過優(yōu)化匯流排物理結(jié)構(gòu)進行熱管理優(yōu)化外,可以通過導(dǎo)熱硅脂/導(dǎo)熱硅膠墊等方式促進熱管理優(yōu)化,甚至針對銅排異形結(jié)構(gòu)可以局部涂布導(dǎo)熱硅脂輔助散熱。這樣可以減少設(shè)計開發(fā)的成本及周期,同時避免對電池系統(tǒng)能量密度的影響。

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