基于微通道蛇形冷板的圓柱形電池?zé)嵝阅苎芯?/h1>
2020-12-02 03:11:14謝忱創(chuàng)
汽車文摘 2020年12期
謝忱創(chuàng)
（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶400074）
主題詞：電池?zé)峁芾?蛇形液體冷卻板 最高溫度 最大溫差 壓力損失
0 引言
近年來，隨著全球汽車保有量持續(xù)增長，導(dǎo)致了一系列諸如能源短缺和環(huán)境污染等問題的出現(xiàn)。由于混合電動(dòng)汽車(HEV)與純電動(dòng)汽車(EV)的出現(xiàn)，用電動(dòng)機(jī)替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，減輕了對(duì)化石燃料的依賴并減少了對(duì)環(huán)境的污染，從而使得綠色出行成為可能[1-3]。在電池材料的選擇中，鋰離子電池與鎳鉻、鎳金屬氫化物電池相比，具有高能量密度、無記憶效應(yīng)、低自放電率以及優(yōu)異的儲(chǔ)能循環(huán)壽命和對(duì)環(huán)境的協(xié)調(diào)等優(yōu)勢(shì)，深受汽車制造商的青睞[4-7]。溫度是鋰離子動(dòng)力電池最重要的影響因素，受安放電池組的空間限制，電池排列緊密，因而在車輛運(yùn)行時(shí)，電池組會(huì)釋放大量熱量，堆積的熱量使得電池組溫度升高，車用電池組內(nèi)外單體電池長期受熱不均，導(dǎo)致了電池組發(fā)生熱失控，進(jìn)而引發(fā)了電池短路，破壞了電池的同一性，電池性能降低，更甚者會(huì)發(fā)生破裂，起火和爆炸[8-14]。為了提高電池組的使用安全性，鋰離子電池的工作溫度應(yīng)保持在25 ℃～40 ℃之間，電池組中電池間的最大溫差不超過5 ℃[15]。
世界上許多學(xué)者在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做了許多研究和積累，包括建立熱模型、冷卻方式和冷卻材料的研究等。對(duì)于目前的BTMs 的冷卻方式（介質(zhì)）而言，主要包括空氣冷卻[16-18]、液體冷卻[19-23]、相變材料（PCMs）冷卻[24-25]和熱管冷卻[26]。相較于空氣冷卻、PCM 材料冷卻及熱管冷卻而言，間接液體冷卻具有導(dǎo)熱系數(shù)大、冷卻效率高、結(jié)構(gòu)緊湊排列方便、冷卻材料輕便、結(jié)構(gòu)多樣、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于大容量電池組散熱[27-29]。
目前，為方形鋰離子電池設(shè)計(jì)的液冷系統(tǒng)很多，為圓柱形鋰離子電池設(shè)計(jì)的液冷系統(tǒng)很少。Huo等人[30]設(shè)計(jì)了一種基于微通道冷板的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來冷卻方形鋰離子電池，建立了冷卻系統(tǒng)的三維模型，研究了放電過程中通道數(shù)量、流向、入口質(zhì)量流量和環(huán)境溫度對(duì)電池最高溫度與最大溫差的影響。Basu 等人[31]構(gòu)建并模擬了Li-NCA/C 電池組的三維電化學(xué)耦合熱模型，描述了一種新穎的液冷TMS，電池周圍用鋁傳導(dǎo)熱元件包裹，鋁傳導(dǎo)熱元件連接到裝有冷卻液的鋁通道，通過熱傳導(dǎo)將電池產(chǎn)生的熱量帶走。Zhao等人[32]建立了由71個(gè)18650型鋰離子電池組成的電池模塊熱模型，研究不同放電倍率、液體流速，相鄰之間的熱交換面積以及電池與通道外壁的接口面積對(duì)電池模塊的影響。Rao等人[33]設(shè)計(jì)了一種基于液體冷卻的可變接觸面圓柱形鋰離子電池模塊熱管理系統(tǒng)，以模擬的方式研究了鋁塊的長度和流速對(duì)電池組熱性能的影響，還研究了3種可變接觸面類型，并將其性能與恒定接觸系統(tǒng)進(jìn)行比較。
增加微通道中傳熱系數(shù)的一種方法是使用波浪形壁而不是直壁，因?yàn)樵诓ɡ诵伪谖⑼ǖ乐?，流?dòng)具有復(fù)雜的行為，與直微通道相反，在波浪形壁微通中存在再循環(huán)區(qū)和回流，速度矢量不平行于壁。雷諾數(shù)和幾何參數(shù)的變化導(dǎo)致回流區(qū)的形狀、大小以及二次流強(qiáng)度的變化[34]。前人在圓柱形電池?zé)峁芾砩?，大量研究了液冷板與圓柱形電池接觸面積、不同液體流速、不同放電倍率因素對(duì)電池?zé)嵝阅艿挠绊?，而?duì)液冷通道與冷板的高度占比、通道數(shù)量以及不同流向的綜合因素研究甚少。本文設(shè)計(jì)一種基于微通道蛇形冷板的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，用于冷卻圓柱形鋰離子電池。
1 模型與方法
1.1 物理問題
圖1(a)是本文研究的鋰離子圓柱形電池組示意圖，圖中每排鋰離子電池都由2個(gè)蛇形冷板包裹，電池編號(hào)如圖(b)表示。在該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中蛇形冷板與圓柱形電池有最大接觸面積，結(jié)構(gòu)更加緊湊，并且增加了傳熱面積。電池的幾何尺寸表1 所示，圖2 是電池組尺寸示意圖。D1，D3 分別表示在同一個(gè)蛇形冷板上2個(gè)液冷通道之間的距離與液冷通道至冷板頂端的距離。液冷通道高度與寬度分別為D2，D5。D4是蛇形冷板高度，寬度由D6 表示。D9 表示整個(gè)電池模型長度，D7 是電池直徑，D8 是電池直徑與2個(gè)冷板寬度之和。為了計(jì)算簡單，電池由單一材料組成，蛇形冷板材質(zhì)是鋁，冷卻劑是水，電池、冷卻劑、冷卻板的熱物理參數(shù)如表2所示。
圖1 鋰離子圓柱電池
表1 冷卻系統(tǒng)模型的尺寸 mm
表2 仿真模擬參數(shù)
運(yùn)用ICEM(CFD)軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖3表示液冷通道與冷板高度占比為0.4 的網(wǎng)格劃分，在該占比下網(wǎng)格數(shù)量是3522128，隨著通道高度占比不斷增加，網(wǎng)格數(shù)量逐漸減小，從圖3中可以看到，藍(lán)色區(qū)域是蛇形冷板網(wǎng)格，棕色區(qū)域是電池網(wǎng)格，并對(duì)局部進(jìn)行放大展現(xiàn)。為了確保網(wǎng)格之間的傳熱質(zhì)量，所有接口都是耦合的，電池組模型在X,Y,Z 軸上的網(wǎng)格尺寸相同。采用ANSYS FLUENT15.0 進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于模擬的邊界條件，這里設(shè)定入口質(zhì)量流量進(jìn)口與壓力出口。冷卻劑的初始溫度為26.75 ℃，液冷通道的出口壓力設(shè)定為0。定義電池組放電倍率為3 C。
圖2 電池模型幾何形狀
1.2 電池生熱機(jī)理
對(duì)于鋰電池工作生熱實(shí)際上是電池內(nèi)部進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱。鋰離子電池生熱具體分為：反應(yīng)熱Qr、焦耳熱Qj、副反應(yīng)熱Qs和極化熱Qp，所以鋰電池產(chǎn)生的總熱量Q可表示如下方程(1)所示。
反應(yīng)熱由于電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)是可逆的，鋰離子在正極和負(fù)極分別進(jìn)行嵌入和脫嵌，在此過程會(huì)有熱量的產(chǎn)生。焦耳熱指電池中的極柱、電解液、隔膜都有或多或少的內(nèi)阻，這些內(nèi)阻在充放電過程中會(huì)發(fā)生焦耳效應(yīng)，從而產(chǎn)生焦耳熱量，而且這是主要的熱量來源。副反應(yīng)熱一般都是在極端條件下，如過充過放電才會(huì)產(chǎn)生，一般都是電解液分解或者是正負(fù)電極材料分解。只不過副反應(yīng)熱產(chǎn)生的熱量相比其它熱量很微小，可以忽略不計(jì)。電池在放電過程中，電流通過電池，使電極偏離了平衡電極電位的現(xiàn)象，稱為電極極化。極化現(xiàn)象導(dǎo)致出現(xiàn)電位差，有極化電阻的產(chǎn)生，極化引起的能量損失即為極化熱[27]。
1.3 能量守恒方程
電池的能量守恒方程可以表示為：
其中ρb，cpb，和λb分別表示電池的密度，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，具體數(shù)據(jù)已在表2中展示。對(duì)于Tb表示電池的溫度，q表示單位體積電池的產(chǎn)熱量。同理冷板的能量守恒方程可表示為：
其中ρc，cpc，和λc分別表示電池的密度，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。而Tc則表示冷板的溫度。
本文所用的冷卻介質(zhì)是液態(tài)水，所以液冷通道中水的能量守恒方程表示。
其中ρW、cpW和λW分別表示冷卻劑的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。TW表示冷卻劑的溫度，冷卻劑的速度矢量由v?表示。冷卻劑的質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程可表示為：
其中P是靜態(tài)壓力。
2 結(jié)果與討論
2.1 液冷通道不同高度占比的影響
本文設(shè)計(jì)了8種液冷通道與蛇形冷板不同高度占比如表3所示。圖4中每個(gè)液冷通道冷卻劑流向都相同為基礎(chǔ)模型。通過改變液冷通道高度，增加或減小冷卻劑對(duì)冷板的接觸面積，討論了電池在不同液冷通道高度占比下的溫度(T)、最高溫度(Tmax)與最大溫差(?T)，用以上參數(shù)來評(píng)價(jià)電池組最優(yōu)冷卻效果。
根據(jù)第2 章對(duì)模型邊界條件的設(shè)定進(jìn)行模擬分析，從圖5(a)中可以看出液冷通道與冷板不同高度占比下電池組中電池溫度變化，編號(hào)1的電池單元溫度最高，但由于不同液冷通道高度占比之間的電池溫度都很相近，對(duì)最優(yōu)液冷通道高度占比工況不易看出，所以對(duì)編號(hào)1的電池單元在不同液冷通道高度占比下的溫度分布進(jìn)行局部放大。在放大圖(b)中明顯看出液冷通道高度占比0.8的電池Tmax最低。由于在不同液冷通道高度占比下Tmax相差約0.4 ℃，Tmax對(duì)冷卻性能的影響很小，所以通過圖5(c)與圖6 結(jié)合電池的ΔT、ΔP和溫度云圖來選擇最優(yōu)液冷通道高度占比。從圖5中可以看出電池組ΔT隨著液冷通道占比的減小而減小，ΔP則隨著液冷通道高度占比的減小而增大，在液冷通道占比0.1時(shí)電池組ΔT最小，ΔP最大，通過曲線走勢(shì)ΔP在液冷通道高度占比0.4 時(shí)開始減緩，在壓力損失相差不大的情況下選取最小的ΔT。綜上所述選取合適工況為液冷通道與冷板高度占比0.4。該工況的最高溫度40.89 ℃，最大溫差10.34 ℃，單個(gè)通道壓力損失106.88 Pa。
圖4 液冷通道的冷卻液流向
表3 液冷通道與蛇形冷板的不同高度占比
2.2 冷卻液不同流向的影響
本文設(shè)計(jì)了圖7所示的4種冷卻劑不同流向。圖8(a)(b)展示了在不同流向下的T、Tmax、ΔT，觀察看到所有流向的最高溫度都超過40 ℃，Case 1與Case 4最大溫差超過5 ℃。在Case 1基礎(chǔ)上改變所有蛇形冷板上方液冷通道的冷卻劑流向，得到Case 2 工況，它是上下液冷通道冷卻劑流向不同，在X軸正方向上電池組的上下液冷通道進(jìn)出口剛好錯(cuò)開。對(duì)比基礎(chǔ)工況，它的最高溫度升高了2.395 ℃，最大溫差降低5.591 ℃。在基礎(chǔ)模型上改變中間蛇形冷板液冷通道冷卻劑流向，得到Case 3工況，與Case 1相比，它的最高溫度降低了0.789 ℃，最大溫差降低了6.852 ℃，冷卻效能大幅提升。
圖5 液冷通道不同高度占比對(duì)電池的影響
值得注意的是，對(duì)于Case 4 工況是由Case 2 改變中間蛇形冷板液冷通道上下流向所得。上方冷卻劑流向由左進(jìn)右出變?yōu)橛疫M(jìn)左出，下方冷卻劑流向由右進(jìn)左出變?yōu)樽筮M(jìn)右出，得到Case 4就是所有液冷通道冷卻劑流向都不相同。該工況的最高溫度44.49 ℃，是4 種不同流向工況中最大的，最大溫差相對(duì)比Case 1 降低了4.783 ℃。對(duì)比Case 2 與Case 3，它對(duì)電池組的冷卻性能較差。
綜上所述，Case 3 是最優(yōu)工況，該工況最高溫度40.105 ℃，最大溫差3.487 ℃，該參數(shù)值中只有最大溫差滿足規(guī)定的5 ℃之下。
2.3 不同入口質(zhì)量流量的影響
圖9 所示分別考慮了入口質(zhì)量流量為6×10-4kg/s ， 9×10-4kg/s ， 12×10-4kg/s ，15×10-4kg/s ，18×10-4kg/s 。隨著入口質(zhì)量流量增大，電池組的T、Tmax、ΔT逐漸降低，而ΔP逐漸升高。當(dāng)入口質(zhì)量流量為6×10-4kg/s 時(shí)，最高溫度超過40 ℃，所以該入口質(zhì)量流量不可取。觀察圖9(b)的溫度參數(shù)與壓力損失變化趨勢(shì)及圖10 溫度云圖變化狀況，在入口質(zhì)量流量為12×10-4kg/s 之后，最高溫度與最大溫差曲線圖開始變緩，而壓力損失則開始遞增。與入口質(zhì)量流量為15×10-4kg/s 相對(duì)比，最高溫度升高了1.139 ℃，最大溫差升高了0.275 ℃，溫度變化波動(dòng)不大，但是壓力損失減少了240.47 Pa，降低了水泵做功所消耗的電能，使電動(dòng)汽車有更長的續(xù)航里程。綜上所述，在入口質(zhì)量流量15×10-4kg/s 為合適的工況，該工況電池組最高溫度33.441 ℃，最大溫差1.276 ℃，單個(gè)通道壓力損失427.51 Pa。
圖6 不同高度占比下相同冷卻劑流向的所有液體冷卻通道的溫度云圖
圖7 冷卻劑不同流向類型
圖8 不同冷卻劑流動(dòng)方向的溫度變化
表4 不同入口質(zhì)量流量下電池組的溫度和壓力損失。
圖9 不同入口質(zhì)量流量
圖10 不同入口質(zhì)量流量下電池組溫度云圖
3 結(jié)論
本文首先建立所有液冷通道冷卻劑流向相同為基礎(chǔ)模型。在入口質(zhì)量流量6×10-4kg/s，環(huán)境初始溫度26.75 ℃下，通過改變液冷通道高度與蛇形冷板高度占比，一共有8種不同液冷通道高度占比工況。由于液冷通道與冷板高度不同占比對(duì)冷卻性能的影響不大，在這里選出合適工況是液冷通道與冷板高度占比0.4，它的最高溫度40.89 ℃，最大溫差10.34 ℃，單個(gè)通道的力損失106.88 Pa。在液冷通道與冷板高度占比0.4前提下，改變冷卻劑流動(dòng)方向，共4種流向，通過對(duì)比分析，得出相鄰隔板間液冷通道冷卻劑不同流向(Case 3)為最佳流向。該工況的最高溫度是40.105 ℃，最大溫差是3.487 ℃，比基礎(chǔ)工況Case 1 相比，最大溫差降低效果顯著。最后改變?nèi)肟谫|(zhì)量流量，在不同的入口質(zhì)量流量下觀察電池工作溫度及壓力損失的變化，考慮到電池的能耗與壽命，選擇合適的入口質(zhì)量流量為12×10-4kg/s，電池組的最高溫度33.441 ℃，最大溫差1.276 ℃，單個(gè)通道壓力損失427.51 Pa。
綜上所述，與電池組在3 C放電倍率下，液冷通道占比0.4，所有冷卻液流向相同，入口質(zhì)量流量為6×10-4kg/s 的基礎(chǔ)工況相比較，電池組的最高溫度降低了7.449 ℃(18.22%)，最大溫差降低了9.064 ℃(87.66%),單個(gè)通道壓力損失增加了320.63 Pa(75.35%)。
本文主要是在蛇形冷板的基礎(chǔ)上采用雙液冷通道、改變液冷通道占比、液冷板不同冷卻液流向?qū)﹄姵亟M熱性能的研究，發(fā)現(xiàn)可以通過對(duì)液冷系統(tǒng)的布置來優(yōu)化電池組的溫度，保證電池組在安全性、行駛里程、均溫性方面有所改善。
在未來的電池?zé)峁芾碇?，?yīng)該著重對(duì)冷卻系統(tǒng)的控制、冷卻材料的選用進(jìn)行研究。在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域，大多數(shù)研究的是電池組的散熱性能，而對(duì)寒冷的環(huán)境溫度下電池組的加熱性能研究甚少，所以研究的目的就是讓電池組在恒定的溫度環(huán)境下運(yùn)行，受外界環(huán)境溫度影響小，增加電池組的續(xù)航里程，增加電池的壽命，提高電動(dòng)汽車的安全性。
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主題詞：電池?zé)峁芾?蛇形液體冷卻板 最高溫度 最大溫差 壓力損失
0 引言
近年來，隨著全球汽車保有量持續(xù)增長，導(dǎo)致了一系列諸如能源短缺和環(huán)境污染等問題的出現(xiàn)。由于混合電動(dòng)汽車(HEV)與純電動(dòng)汽車(EV)的出現(xiàn)，用電動(dòng)機(jī)替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，減輕了對(duì)化石燃料的依賴并減少了對(duì)環(huán)境的污染，從而使得綠色出行成為可能[1-3]。在電池材料的選擇中，鋰離子電池與鎳鉻、鎳金屬氫化物電池相比，具有高能量密度、無記憶效應(yīng)、低自放電率以及優(yōu)異的儲(chǔ)能循環(huán)壽命和對(duì)環(huán)境的協(xié)調(diào)等優(yōu)勢(shì)，深受汽車制造商的青睞[4-7]。溫度是鋰離子動(dòng)力電池最重要的影響因素，受安放電池組的空間限制，電池排列緊密，因而在車輛運(yùn)行時(shí)，電池組會(huì)釋放大量熱量，堆積的熱量使得電池組溫度升高，車用電池組內(nèi)外單體電池長期受熱不均，導(dǎo)致了電池組發(fā)生熱失控，進(jìn)而引發(fā)了電池短路，破壞了電池的同一性，電池性能降低，更甚者會(huì)發(fā)生破裂，起火和爆炸[8-14]。為了提高電池組的使用安全性，鋰離子電池的工作溫度應(yīng)保持在25 ℃～40 ℃之間，電池組中電池間的最大溫差不超過5 ℃[15]。
世界上許多學(xué)者在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做了許多研究和積累，包括建立熱模型、冷卻方式和冷卻材料的研究等。對(duì)于目前的BTMs 的冷卻方式（介質(zhì)）而言，主要包括空氣冷卻[16-18]、液體冷卻[19-23]、相變材料（PCMs）冷卻[24-25]和熱管冷卻[26]。相較于空氣冷卻、PCM 材料冷卻及熱管冷卻而言，間接液體冷卻具有導(dǎo)熱系數(shù)大、冷卻效率高、結(jié)構(gòu)緊湊排列方便、冷卻材料輕便、結(jié)構(gòu)多樣、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于大容量電池組散熱[27-29]。
目前，為方形鋰離子電池設(shè)計(jì)的液冷系統(tǒng)很多，為圓柱形鋰離子電池設(shè)計(jì)的液冷系統(tǒng)很少。Huo等人[30]設(shè)計(jì)了一種基于微通道冷板的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來冷卻方形鋰離子電池，建立了冷卻系統(tǒng)的三維模型，研究了放電過程中通道數(shù)量、流向、入口質(zhì)量流量和環(huán)境溫度對(duì)電池最高溫度與最大溫差的影響。Basu 等人[31]構(gòu)建并模擬了Li-NCA/C 電池組的三維電化學(xué)耦合熱模型，描述了一種新穎的液冷TMS，電池周圍用鋁傳導(dǎo)熱元件包裹，鋁傳導(dǎo)熱元件連接到裝有冷卻液的鋁通道，通過熱傳導(dǎo)將電池產(chǎn)生的熱量帶走。Zhao等人[32]建立了由71個(gè)18650型鋰離子電池組成的電池模塊熱模型，研究不同放電倍率、液體流速，相鄰之間的熱交換面積以及電池與通道外壁的接口面積對(duì)電池模塊的影響。Rao等人[33]設(shè)計(jì)了一種基于液體冷卻的可變接觸面圓柱形鋰離子電池模塊熱管理系統(tǒng)，以模擬的方式研究了鋁塊的長度和流速對(duì)電池組熱性能的影響，還研究了3種可變接觸面類型，并將其性能與恒定接觸系統(tǒng)進(jìn)行比較。
增加微通道中傳熱系數(shù)的一種方法是使用波浪形壁而不是直壁，因?yàn)樵诓ɡ诵伪谖⑼ǖ乐?，流?dòng)具有復(fù)雜的行為，與直微通道相反，在波浪形壁微通中存在再循環(huán)區(qū)和回流，速度矢量不平行于壁。雷諾數(shù)和幾何參數(shù)的變化導(dǎo)致回流區(qū)的形狀、大小以及二次流強(qiáng)度的變化[34]。前人在圓柱形電池?zé)峁芾砩?，大量研究了液冷板與圓柱形電池接觸面積、不同液體流速、不同放電倍率因素對(duì)電池?zé)嵝阅艿挠绊?，而?duì)液冷通道與冷板的高度占比、通道數(shù)量以及不同流向的綜合因素研究甚少。本文設(shè)計(jì)一種基于微通道蛇形冷板的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，用于冷卻圓柱形鋰離子電池。
1 模型與方法
1.1 物理問題
圖1(a)是本文研究的鋰離子圓柱形電池組示意圖，圖中每排鋰離子電池都由2個(gè)蛇形冷板包裹，電池編號(hào)如圖(b)表示。在該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中蛇形冷板與圓柱形電池有最大接觸面積，結(jié)構(gòu)更加緊湊，并且增加了傳熱面積。電池的幾何尺寸表1 所示，圖2 是電池組尺寸示意圖。D1，D3 分別表示在同一個(gè)蛇形冷板上2個(gè)液冷通道之間的距離與液冷通道至冷板頂端的距離。液冷通道高度與寬度分別為D2，D5。D4是蛇形冷板高度，寬度由D6 表示。D9 表示整個(gè)電池模型長度，D7 是電池直徑，D8 是電池直徑與2個(gè)冷板寬度之和。為了計(jì)算簡單，電池由單一材料組成，蛇形冷板材質(zhì)是鋁，冷卻劑是水，電池、冷卻劑、冷卻板的熱物理參數(shù)如表2所示。
圖1 鋰離子圓柱電池
表1 冷卻系統(tǒng)模型的尺寸 mm
表2 仿真模擬參數(shù)
運(yùn)用ICEM(CFD)軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖3表示液冷通道與冷板高度占比為0.4 的網(wǎng)格劃分，在該占比下網(wǎng)格數(shù)量是3522128，隨著通道高度占比不斷增加，網(wǎng)格數(shù)量逐漸減小，從圖3中可以看到，藍(lán)色區(qū)域是蛇形冷板網(wǎng)格，棕色區(qū)域是電池網(wǎng)格，并對(duì)局部進(jìn)行放大展現(xiàn)。為了確保網(wǎng)格之間的傳熱質(zhì)量，所有接口都是耦合的，電池組模型在X,Y,Z 軸上的網(wǎng)格尺寸相同。采用ANSYS FLUENT15.0 進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于模擬的邊界條件，這里設(shè)定入口質(zhì)量流量進(jìn)口與壓力出口。冷卻劑的初始溫度為26.75 ℃，液冷通道的出口壓力設(shè)定為0。定義電池組放電倍率為3 C。
圖2 電池模型幾何形狀
1.2 電池生熱機(jī)理
對(duì)于鋰電池工作生熱實(shí)際上是電池內(nèi)部進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱。鋰離子電池生熱具體分為：反應(yīng)熱Qr、焦耳熱Qj、副反應(yīng)熱Qs和極化熱Qp，所以鋰電池產(chǎn)生的總熱量Q可表示如下方程(1)所示。
反應(yīng)熱由于電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)是可逆的，鋰離子在正極和負(fù)極分別進(jìn)行嵌入和脫嵌，在此過程會(huì)有熱量的產(chǎn)生。焦耳熱指電池中的極柱、電解液、隔膜都有或多或少的內(nèi)阻，這些內(nèi)阻在充放電過程中會(huì)發(fā)生焦耳效應(yīng)，從而產(chǎn)生焦耳熱量，而且這是主要的熱量來源。副反應(yīng)熱一般都是在極端條件下，如過充過放電才會(huì)產(chǎn)生，一般都是電解液分解或者是正負(fù)電極材料分解。只不過副反應(yīng)熱產(chǎn)生的熱量相比其它熱量很微小，可以忽略不計(jì)。電池在放電過程中，電流通過電池，使電極偏離了平衡電極電位的現(xiàn)象，稱為電極極化。極化現(xiàn)象導(dǎo)致出現(xiàn)電位差，有極化電阻的產(chǎn)生，極化引起的能量損失即為極化熱[27]。
1.3 能量守恒方程
電池的能量守恒方程可以表示為：
其中ρb，cpb，和λb分別表示電池的密度，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，具體數(shù)據(jù)已在表2中展示。對(duì)于Tb表示電池的溫度，q表示單位體積電池的產(chǎn)熱量。同理冷板的能量守恒方程可表示為：
其中ρc，cpc，和λc分別表示電池的密度，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。而Tc則表示冷板的溫度。
本文所用的冷卻介質(zhì)是液態(tài)水，所以液冷通道中水的能量守恒方程表示。
其中ρW、cpW和λW分別表示冷卻劑的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。TW表示冷卻劑的溫度，冷卻劑的速度矢量由v?表示。冷卻劑的質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程可表示為：
其中P是靜態(tài)壓力。
2 結(jié)果與討論
2.1 液冷通道不同高度占比的影響
本文設(shè)計(jì)了8種液冷通道與蛇形冷板不同高度占比如表3所示。圖4中每個(gè)液冷通道冷卻劑流向都相同為基礎(chǔ)模型。通過改變液冷通道高度，增加或減小冷卻劑對(duì)冷板的接觸面積，討論了電池在不同液冷通道高度占比下的溫度(T)、最高溫度(Tmax)與最大溫差(?T)，用以上參數(shù)來評(píng)價(jià)電池組最優(yōu)冷卻效果。
根據(jù)第2 章對(duì)模型邊界條件的設(shè)定進(jìn)行模擬分析，從圖5(a)中可以看出液冷通道與冷板不同高度占比下電池組中電池溫度變化，編號(hào)1的電池單元溫度最高，但由于不同液冷通道高度占比之間的電池溫度都很相近，對(duì)最優(yōu)液冷通道高度占比工況不易看出，所以對(duì)編號(hào)1的電池單元在不同液冷通道高度占比下的溫度分布進(jìn)行局部放大。在放大圖(b)中明顯看出液冷通道高度占比0.8的電池Tmax最低。由于在不同液冷通道高度占比下Tmax相差約0.4 ℃，Tmax對(duì)冷卻性能的影響很小，所以通過圖5(c)與圖6 結(jié)合電池的ΔT、ΔP和溫度云圖來選擇最優(yōu)液冷通道高度占比。從圖5中可以看出電池組ΔT隨著液冷通道占比的減小而減小，ΔP則隨著液冷通道高度占比的減小而增大，在液冷通道占比0.1時(shí)電池組ΔT最小，ΔP最大，通過曲線走勢(shì)ΔP在液冷通道高度占比0.4 時(shí)開始減緩，在壓力損失相差不大的情況下選取最小的ΔT。綜上所述選取合適工況為液冷通道與冷板高度占比0.4。該工況的最高溫度40.89 ℃，最大溫差10.34 ℃，單個(gè)通道壓力損失106.88 Pa。
圖4 液冷通道的冷卻液流向
表3 液冷通道與蛇形冷板的不同高度占比
2.2 冷卻液不同流向的影響
本文設(shè)計(jì)了圖7所示的4種冷卻劑不同流向。圖8(a)(b)展示了在不同流向下的T、Tmax、ΔT，觀察看到所有流向的最高溫度都超過40 ℃，Case 1與Case 4最大溫差超過5 ℃。在Case 1基礎(chǔ)上改變所有蛇形冷板上方液冷通道的冷卻劑流向，得到Case 2 工況，它是上下液冷通道冷卻劑流向不同，在X軸正方向上電池組的上下液冷通道進(jìn)出口剛好錯(cuò)開。對(duì)比基礎(chǔ)工況，它的最高溫度升高了2.395 ℃，最大溫差降低5.591 ℃。在基礎(chǔ)模型上改變中間蛇形冷板液冷通道冷卻劑流向，得到Case 3工況，與Case 1相比，它的最高溫度降低了0.789 ℃，最大溫差降低了6.852 ℃，冷卻效能大幅提升。
圖5 液冷通道不同高度占比對(duì)電池的影響
值得注意的是，對(duì)于Case 4 工況是由Case 2 改變中間蛇形冷板液冷通道上下流向所得。上方冷卻劑流向由左進(jìn)右出變?yōu)橛疫M(jìn)左出，下方冷卻劑流向由右進(jìn)左出變?yōu)樽筮M(jìn)右出，得到Case 4就是所有液冷通道冷卻劑流向都不相同。該工況的最高溫度44.49 ℃，是4 種不同流向工況中最大的，最大溫差相對(duì)比Case 1 降低了4.783 ℃。對(duì)比Case 2 與Case 3，它對(duì)電池組的冷卻性能較差。
綜上所述，Case 3 是最優(yōu)工況，該工況最高溫度40.105 ℃，最大溫差3.487 ℃，該參數(shù)值中只有最大溫差滿足規(guī)定的5 ℃之下。
2.3 不同入口質(zhì)量流量的影響
圖9 所示分別考慮了入口質(zhì)量流量為6×10-4kg/s ， 9×10-4kg/s ， 12×10-4kg/s ，15×10-4kg/s ，18×10-4kg/s 。隨著入口質(zhì)量流量增大，電池組的T、Tmax、ΔT逐漸降低，而ΔP逐漸升高。當(dāng)入口質(zhì)量流量為6×10-4kg/s 時(shí)，最高溫度超過40 ℃，所以該入口質(zhì)量流量不可取。觀察圖9(b)的溫度參數(shù)與壓力損失變化趨勢(shì)及圖10 溫度云圖變化狀況，在入口質(zhì)量流量為12×10-4kg/s 之后，最高溫度與最大溫差曲線圖開始變緩，而壓力損失則開始遞增。與入口質(zhì)量流量為15×10-4kg/s 相對(duì)比，最高溫度升高了1.139 ℃，最大溫差升高了0.275 ℃，溫度變化波動(dòng)不大，但是壓力損失減少了240.47 Pa，降低了水泵做功所消耗的電能，使電動(dòng)汽車有更長的續(xù)航里程。綜上所述，在入口質(zhì)量流量15×10-4kg/s 為合適的工況，該工況電池組最高溫度33.441 ℃，最大溫差1.276 ℃，單個(gè)通道壓力損失427.51 Pa。
圖6 不同高度占比下相同冷卻劑流向的所有液體冷卻通道的溫度云圖
圖7 冷卻劑不同流向類型
圖8 不同冷卻劑流動(dòng)方向的溫度變化
表4 不同入口質(zhì)量流量下電池組的溫度和壓力損失。
圖9 不同入口質(zhì)量流量
圖10 不同入口質(zhì)量流量下電池組溫度云圖
3 結(jié)論
本文首先建立所有液冷通道冷卻劑流向相同為基礎(chǔ)模型。在入口質(zhì)量流量6×10-4kg/s，環(huán)境初始溫度26.75 ℃下，通過改變液冷通道高度與蛇形冷板高度占比，一共有8種不同液冷通道高度占比工況。由于液冷通道與冷板高度不同占比對(duì)冷卻性能的影響不大，在這里選出合適工況是液冷通道與冷板高度占比0.4，它的最高溫度40.89 ℃，最大溫差10.34 ℃，單個(gè)通道的力損失106.88 Pa。在液冷通道與冷板高度占比0.4前提下，改變冷卻劑流動(dòng)方向，共4種流向，通過對(duì)比分析，得出相鄰隔板間液冷通道冷卻劑不同流向(Case 3)為最佳流向。該工況的最高溫度是40.105 ℃，最大溫差是3.487 ℃，比基礎(chǔ)工況Case 1 相比，最大溫差降低效果顯著。最后改變?nèi)肟谫|(zhì)量流量，在不同的入口質(zhì)量流量下觀察電池工作溫度及壓力損失的變化，考慮到電池的能耗與壽命，選擇合適的入口質(zhì)量流量為12×10-4kg/s，電池組的最高溫度33.441 ℃，最大溫差1.276 ℃，單個(gè)通道壓力損失427.51 Pa。
綜上所述，與電池組在3 C放電倍率下，液冷通道占比0.4，所有冷卻液流向相同，入口質(zhì)量流量為6×10-4kg/s 的基礎(chǔ)工況相比較，電池組的最高溫度降低了7.449 ℃(18.22%)，最大溫差降低了9.064 ℃(87.66%),單個(gè)通道壓力損失增加了320.63 Pa(75.35%)。
本文主要是在蛇形冷板的基礎(chǔ)上采用雙液冷通道、改變液冷通道占比、液冷板不同冷卻液流向?qū)﹄姵亟M熱性能的研究，發(fā)現(xiàn)可以通過對(duì)液冷系統(tǒng)的布置來優(yōu)化電池組的溫度，保證電池組在安全性、行駛里程、均溫性方面有所改善。
在未來的電池?zé)峁芾碇?，?yīng)該著重對(duì)冷卻系統(tǒng)的控制、冷卻材料的選用進(jìn)行研究。在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域，大多數(shù)研究的是電池組的散熱性能，而對(duì)寒冷的環(huán)境溫度下電池組的加熱性能研究甚少，所以研究的目的就是讓電池組在恒定的溫度環(huán)境下運(yùn)行，受外界環(huán)境溫度影響小，增加電池組的續(xù)航里程，增加電池的壽命，提高電動(dòng)汽車的安全性。
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