亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        車用動(dòng)力電池散熱管理的熱特性建模綜述

        2022-07-02 05:34:26馬正偉
        電源技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:熱容熱阻對(duì)流

        馬正偉,王 正,2

        (1.深圳技術(shù)大學(xué)城市交通與物流學(xué)院,廣東深圳 518118;2.深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院,廣東深圳 518060)

        電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的熱安全問題除了與動(dòng)力電池本身熱特性有關(guān)外,還與電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱效率不足有關(guān)[1]。整體來看,現(xiàn)階段應(yīng)用的車用動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能夠有效控制電動(dòng)汽車在日常使用時(shí)充放電倍率所產(chǎn)生的溫差,但在長(zhǎng)時(shí)間、多次循環(huán)、高倍率的充放電使用狀態(tài)下,在動(dòng)力電池組內(nèi)部仍然存在由于熱管理系統(tǒng)的散熱效率不足所積聚的大量熱量,導(dǎo)致電池溫度急劇上升和出現(xiàn)電池組內(nèi)溫度梯度過大的問題,以至于電池組整體性能下降,甚至發(fā)生熱失控[2]。

        針對(duì)電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)效率不足的問題,很多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)、仿真建模等手段開展了廣泛的研究[3-5]。實(shí)驗(yàn)研究容易受到設(shè)備成本、實(shí)驗(yàn)周期、周圍環(huán)境等因素的影響[4]。相對(duì)而言,仿真建模由于具備成本低、周期短、可重復(fù)性好、改進(jìn)方便等優(yōu)勢(shì),逐漸成為研究的主流手段[5]。根據(jù)傳熱散熱機(jī)理構(gòu)建具有針對(duì)性的數(shù)值模型,該模型可以準(zhǔn)確計(jì)算出散熱系統(tǒng)的效率,進(jìn)而對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化。本文圍繞動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱方式,總結(jié)了近年來散熱系統(tǒng)建模的研究進(jìn)展。

        1 熱管理策略模型

        電池組內(nèi)部的熱量傳遞及耗散主要通過流體流動(dòng)的方式進(jìn)行,流體流動(dòng)要受到物理守恒定律(質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律)的支配。上述物理守恒定律對(duì)應(yīng)的控制方程能夠反應(yīng)單位時(shí)間、單位體積內(nèi)物理量的守恒性質(zhì)。為了便于對(duì)各控制方程進(jìn)行分析,并用同一程序?qū)Ω鱾€(gè)控制方程進(jìn)行求解,式(1)建立了各控制方程的通用形式[6]:

        式中:? 為通用變量,可代表u、v、w、T等求解變量,u、v、w是連續(xù)方程和動(dòng)量方程中速度矢量在x、y、z方向的分量,T是能量方程中的溫度;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為廣義源項(xiàng)。式中各項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。源項(xiàng)是一個(gè)廣義量,對(duì)于特定的方程,有特定的形式。一般情況下,不屬于非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的成分均可放到源項(xiàng)中。在能量方程中,源項(xiàng)是化學(xué)反應(yīng)和體積熱相關(guān)的項(xiàng)。能量方程中,源項(xiàng)的存在可以集中反映熱量的動(dòng)態(tài)變化,并使得模型更精確,但也可導(dǎo)致方程數(shù)學(xué)性態(tài)的復(fù)雜,從而產(chǎn)生收斂困難、迭代不穩(wěn)定等問題。源項(xiàng)也可簡(jiǎn)化,如在研究針對(duì)性問題時(shí),假設(shè)其處于不生熱或無熱量傳遞的條件,可將源項(xiàng)忽略。

        不論是空氣冷卻模型、液體冷卻模型還是相變冷卻模型,在利用有限體積法對(duì)模型進(jìn)行熱仿真時(shí),都會(huì)用到上述守恒定律,通過質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程計(jì)算出散熱管理系統(tǒng)的冷卻效率,模擬電池組的生熱/散熱情況,觀察電池組內(nèi)部的溫度,最終得出研究結(jié)論。

        1.1 空氣冷卻模型

        空氣冷卻,即利用冷卻空氣流經(jīng)電池表面通過對(duì)流換熱的方式將電池組的熱量帶走,是目前最為常見、成本最低,也是應(yīng)用最為廣泛的散熱方式,但由于空氣換熱系數(shù)低,存在換熱效率不足導(dǎo)致電池模組出現(xiàn)溫差較大的問題[7],且在大功率放電時(shí),難以將電池維持在理想的溫度范圍。由于空氣經(jīng)過壁面產(chǎn)生的摩檫作用引起氣流相互干擾、混摻的現(xiàn)象,稱之為湍流,其速度和壓力等物理量在空間和時(shí)間上均具有隨機(jī)性質(zhì)的脈動(dòng)值。因此,在對(duì)空氣冷卻方式熱管理系統(tǒng)進(jìn)行較為精確建模時(shí),需建立湍流模型。

        Zhang 等[8]在搭建空冷數(shù)值模型時(shí),借鑒Li 等[9]的控制方程,即湍流動(dòng)能方程和湍流動(dòng)能耗散方程,如式(2)~(3)所示,其考慮了壁面?zhèn)鳠嵬牧饔绊?,能夠體現(xiàn)出湍動(dòng)能和湍流耗散所攜帶的熱源。

        針對(duì)在數(shù)值計(jì)算中運(yùn)用有限體積法導(dǎo)致流體界面與固體壁面的節(jié)點(diǎn)不一一對(duì)應(yīng)的問題,劉霏霏[10]建立了熱-流耦合傳熱模型,用于確保計(jì)算時(shí)流體和固體之間的數(shù)據(jù)傳遞,從而保證耦合面上的溫度和熱流連續(xù)。該模型驗(yàn)證了熱-流耦合傳熱模型的高精度和高計(jì)算效率,表達(dá)式如式(4)所示:

        式中:q為熱流密度;T為溫度;w 代表耦合面;f 代表流體區(qū)域;s 代表固體區(qū)域。

        對(duì)于空氣傳熱問題的建模,主要還是對(duì)流換熱系數(shù)和空氣流動(dòng)特性的確定。Kirad 等[11]在空氣冷卻系統(tǒng)建模后,引入冷卻效率因子β 用于評(píng)價(jià)模型,該因子很大程度上取決于電池之間的橫向間距,因?yàn)樗绊懼鴼饬餮啬K的流動(dòng)特性和對(duì)流換熱系數(shù),橫向間距的變化會(huì)引起面積變化影響壓降,而壓降又改變了供應(yīng)冷卻空氣和β 所消耗的能量。其表達(dá)式如下:

        式中:Δp為電池模塊入口和出口的壓降;U為空氣流速;μ 為空氣的動(dòng)力粘度;D為電池直徑;St為電池間的橫向距離;Sl為電池間的縱向距離;Pr為普朗特?cái)?shù)。

        Liu 等[12]通過并行氣流冷卻系統(tǒng)對(duì)電池組的熱行為進(jìn)行管理,如圖1 所示,Q為每個(gè)冷卻通道中的氣流速率。在二維模型的基礎(chǔ)上,將流阻網(wǎng)絡(luò)模型與瞬態(tài)傳熱模型耦合,利用耦合模型計(jì)算電池組中的溫度分布,并基于動(dòng)量守恒定律建立流動(dòng)阻力模型:

        圖1 流動(dòng)阻力網(wǎng)絡(luò)模型示意圖

        式中:CC 為冷卻通道;DP 為分散通風(fēng);CP 為聚集通風(fēng)。該公式類似于基爾霍夫電壓定律,其每個(gè)路徑方向上的靜壓損失之和等于零,利用熱阻模型表示各個(gè)空氣流道內(nèi)的壓降。

        目前,空氣冷卻的建模主要針對(duì)的問題是流道內(nèi)空氣湍流及與壁面的摩擦對(duì)壓降、動(dòng)能的影響,針對(duì)這些問題,科研人員相應(yīng)搭建了壓降模型、湍流模型及流固耦合模型,一定程度上解決了壓降、湍流等問題,但在實(shí)際空氣冷卻過程中這些因素是共同存在、相互影響的,在未來優(yōu)化空氣冷卻模型時(shí)可考慮建立包含綜合影響因素的耦合模型。

        1.2 液體冷卻模型

        液體冷卻是指利用液體的流動(dòng)特性帶走熱量。很多學(xué)者通過優(yōu)化流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以達(dá)到冷卻效率的最大化。液體冷卻效率受到眾多因素的影響,如管道內(nèi)液體流速、溫度、流動(dòng)方向、冷卻工質(zhì)的性質(zhì)等[13]。

        Lai 等[14]通過仿真手段研究熱導(dǎo)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部直徑、接觸高度和接觸角度對(duì)熱導(dǎo)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及冷卻性能的影響。假定電池模組除了通過冷板散熱外是絕熱的,搭建熱導(dǎo)結(jié)構(gòu)的控制方程:

        式中:ρ 為密度;cp為比熱容;T為溫度;k為熱導(dǎo)系數(shù);TCS 為熱導(dǎo)結(jié)構(gòu)。完整的能量方程應(yīng)為:瞬態(tài)項(xiàng)加對(duì)流項(xiàng)等于擴(kuò)散項(xiàng)加源項(xiàng),針對(duì)研究的問題和在熱導(dǎo)結(jié)構(gòu)中對(duì)流較小,式(8)只考慮熱導(dǎo)結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)。

        在建模時(shí)耦合電池?zé)崽匦詴r(shí),以往的控制方程直接將電池生熱量作為源項(xiàng),但在實(shí)際熱量傳遞過程中,往往避免不了熱量的丟失。Chung 等[15]將冷板吸收的電池?zé)崃孔鳛樵错?xiàng),建立了相對(duì)精確的電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)冷板模型,其控制方程如下:

        電池模組冷板的對(duì)流傳熱系數(shù)h可以由Gnielinski 相關(guān)性獲得:

        式中:Nu為冷板的努塞爾數(shù);Prcool為冷板的普朗特?cái)?shù);L為冷板的幾何特征長(zhǎng)度,垂直于傳熱面的尺度;k為流體的導(dǎo)熱系數(shù);fcool,0和γ 分別表示圓管的摩擦系數(shù)和矩形通道的長(zhǎng)寬比。

        液體冷卻不僅要考慮散熱效果,同時(shí)還要兼具最佳冷卻結(jié)構(gòu)、管道內(nèi)最佳流量、最小能量損耗等。E 等[16]通過搭建蛇形管道的液體冷卻模型,將模型分為熱阻模型和壓力損失模型且建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)f1和f2,并通過算法優(yōu)化得到最佳的冷卻結(jié)構(gòu)。壓力損失模型考慮到液體在管道內(nèi)的摩擦損耗和附加損耗,其表達(dá)式如下:

        式中:Δpf為摩擦壓力損失;λ 為摩擦損失系數(shù);ρ 為流體密度;lp為管的長(zhǎng)度;dh為管的水力直徑,dh=2lwri/(lw+ri);Δpb為彎管總過量壓力損失;ξ 為過量損失系數(shù)。根據(jù)傳熱理論,熱流為固定值時(shí),熱阻越小,制冷效果就越好。熱阻模型根據(jù)熱傳遞理論將熱阻分為傳導(dǎo)熱阻和純熱阻,其傳熱過程和熱阻的示意圖如圖2 所示。Ra、Rb為進(jìn)出口處和直管處不同形式的熱阻,R1~R14為不同部位處的熱阻,其相互關(guān)系如下所示:

        圖2 傳熱過程和熱阻的示意圖

        利用Ra、Rb建立冷板熱阻模型,表達(dá)式如下:

        Deng 等[17]為了在低流動(dòng)狀態(tài)下獲得最佳熱性能,將流體域的表面摩擦系數(shù)f和對(duì)流傳熱系數(shù)h作為目標(biāo)函數(shù),基于進(jìn)化算法對(duì)電池組液冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使得對(duì)流傳熱系數(shù)最大,表面摩擦系數(shù)最小,并通過建立驅(qū)動(dòng)冷卻液的泵功率P模型來計(jì)算流動(dòng)阻力,表達(dá)式如下:

        式中:Δp為總壓降;ρl為流體密度;u為流體速度;Dh為通道的水力直徑;L為通道長(zhǎng)度;n為通道數(shù);Qconv為對(duì)流散熱量;Aw為對(duì)流傳熱面積;Tw為通道壁的溫度;Tl為通道內(nèi)流體的溫度;qm為質(zhì)量流率。

        Liu 等[18]利用冷卻能力更強(qiáng)且適應(yīng)極端條件的液態(tài)金屬作為冷卻劑,提出一種可變流速策略,根據(jù)充電狀態(tài)和特定的操作條件選擇最佳流量,通過建立仿真模型得到結(jié)論:在一定體積流量范圍內(nèi),管道的數(shù)量較少但流速較高的結(jié)構(gòu)具有較高的冷卻性能。其模型計(jì)算了信號(hào)銅管傳遞的熱量,如下所示:

        式中:qpi是信號(hào)銅管傳遞的熱量;ρl是管中液態(tài)金屬的密度;Vl表示管中液態(tài)金屬的體積;ΔTl表示入口和出口處的液態(tài)金屬之間的溫差;cpl是管中液態(tài)金屬的比熱容。

        針對(duì)液體冷卻系統(tǒng)的最佳熱性能、最佳冷卻結(jié)構(gòu)或穩(wěn)定充放電狀態(tài)下的最佳流量問題,利用流體域的表面摩擦系數(shù)和對(duì)流傳熱系數(shù)等作為目標(biāo)函數(shù),通過相應(yīng)算法進(jìn)行優(yōu)化并取得良好成果。利用電路模型或熱阻模型來模擬能量損耗,因其結(jié)構(gòu)自由、計(jì)算量較少等特點(diǎn),可能成為未來散熱冷卻建模的主流手段。

        1.3 相變材料冷卻模型

        相變材料冷卻(PCM)是利用相變材料物理狀態(tài)的改變(即熔化或者升華)來吸收或者放出熱量,以達(dá)到控制電池箱內(nèi)溫度的目的。當(dāng)電池溫度達(dá)到相變材料的相變溫度時(shí),相變材料發(fā)生相變,吸收電池散發(fā)的熱量,可以長(zhǎng)時(shí)間保持電池的溫度在相變溫度范圍內(nèi),從而可以減少電池組的能量衰退[19]。

        Klime? 等[20]將相變冷卻傳熱廣泛使用的建模方法進(jìn)行總結(jié)分類,分為焓法和有效熱容法。焓法將焓定義為溫度的函數(shù),使用熱力學(xué)公式來描述相變過程中顯熱和潛熱之間的關(guān)系,表達(dá)式如下:

        式中:h為焓熱;ρp為密度;Tref為參考溫度;c為熱容;L為熔化熱;fs是固體部分;θ 為積分變量;ρpc為單位密度物體改變溫度時(shí)吸收或釋放的內(nèi)能;ρpL[(?fs)/(?θ)]是固體部分單位體積因熔化所吸收的熱量。再將焓h帶入到式(22)控制方程中,求解相變傳熱問題。

        式中:t為時(shí)間;λP為導(dǎo)熱系數(shù);?是微分運(yùn)算符。焓法可同時(shí)適用于快速和漸變的相變,且計(jì)算效率高,但對(duì)于過冷問題計(jì)算較為困難[21]。有效熱容法與焓法十分相似,有效熱容法利用有效熱容系數(shù)來代替焓,公式如下:

        式中:ceff為有效熱容系數(shù)。有效熱容法公式簡(jiǎn)單,但想要達(dá)到理想的精度,計(jì)算時(shí)需較小的時(shí)間步長(zhǎng)和精細(xì)的網(wǎng)格,與焓法相比,計(jì)算成本較高[21]。

        Ling 等[22]較早對(duì)相變材料冷卻的熱力學(xué)過程進(jìn)行了建模,此模型引入PCM 的相變權(quán)重系數(shù)β,考慮了相變材料的狀態(tài)對(duì)潛熱的影響,對(duì)后來相變冷卻建模起到一定的指引作用,表達(dá)式如下:

        式中:ρ為相變材料的密度;λ為相變材料的導(dǎo)熱系數(shù);T為相變材料的溫度;h為相變材料的比焓;ΔH為相變過程中的焓變;γ為相變材料的相變潛熱;Tm為相變材料的相變溫度點(diǎn)。

        Wang 等[23]在研究基于泡沫銅和石蠟復(fù)合相變材料的新型無源熱管理系統(tǒng)(無源等于耦合空氣冷卻)的過程中,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),在Ling 等[22]的基礎(chǔ)上對(duì)PCM 的相變權(quán)重系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使得模型更加精確,表達(dá)式如下所示:

        式中:Ts和Tl分別是相變材料的凝固溫度和相變材料的液化溫度。

        柔性復(fù)合相變材料通過減小接觸面之間的氣隙,從而提高表面?zhèn)鳠崮芰?,其材料的高?dǎo)熱性是改善電池模組溫度均勻性的主要原因。Huang 等[24]采用有效熱容法對(duì)柔性復(fù)合相變材料進(jìn)行數(shù)值模擬研究,引入隨溫度平滑變化的有效熱容δ,并耦合到控制方程中,表達(dá)式如下:

        式中:cp為處在獨(dú)立狀態(tài)的比熱容;ΔH代表復(fù)合相變材料的潛熱;Tm為相變溫度;ΔT為相變溫度與電池溫度峰值之差的二分之一;N為正態(tài)分布。

        相變材料的良好熱性能使之成為未來最為看好的熱管理介質(zhì)之一,其建模方法被總結(jié)為焓法和有效熱容法。焓法可同時(shí)適用于快速和漸變的相變,且計(jì)算效率高,但對(duì)于過冷問題計(jì)算較為困難;有效熱容法與焓法十分相似,有效熱容法利用有效熱容系數(shù)代替焓,其公式簡(jiǎn)單,但想要達(dá)到理想的精度,計(jì)算時(shí)需較小的時(shí)間步長(zhǎng)和精細(xì)的網(wǎng)格,相比焓法,有效熱容法的計(jì)算成本較高,未來可在相變權(quán)重系數(shù)上進(jìn)行改進(jìn),使其更加精確。

        2 結(jié)論

        電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)崽匦苑抡嬉猿杀镜?、周期短等?yōu)點(diǎn)被發(fā)展,且在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方面能起到指引作用。本文從風(fēng)冷、液冷和相變冷卻三個(gè)方面對(duì)該領(lǐng)域的模型進(jìn)行闡述。

        空氣冷卻因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,影響制冷效果的因素少,建立的模型較為精確,但每個(gè)模型針對(duì)的影響因素都不同。因此,未來可將其各影響因素進(jìn)行耦合,搭建更為精確的空氣冷卻模型。液體冷卻在進(jìn)行建模時(shí),因其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,故建模時(shí)需考慮的影響因素更多,主要研究最佳熱性能、最佳冷卻結(jié)構(gòu)或穩(wěn)定充放電狀態(tài)下的最佳流量問題,模擬電路模型或熱阻模型可能成為未來建模的新興手段。相變冷卻由于其傳熱工質(zhì)的特殊性,成為近年來研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域,其冷卻建模方法被總結(jié)為焓法和有效熱容法,焓法的關(guān)鍵在于相變材料的狀態(tài)對(duì)潛熱的影響,而有效熱容法的關(guān)鍵在于關(guān)于溫度或其他因素的有效熱容函數(shù)的搭建。

        總體來看,每種冷卻方式對(duì)動(dòng)力電池的貼合度都不相同,對(duì)流傳熱系數(shù)的確定依然是精確建模的重點(diǎn)、難點(diǎn),在確定對(duì)流傳熱系數(shù)方面可參考文獻(xiàn)[15]。雖然目前已取得大量的理論和成果,但動(dòng)力電池?zé)崽匦阅M的研究還存在沒有考慮電池傳熱的源項(xiàng)或考慮恒定源項(xiàng)等問題,車用動(dòng)力電池的熱管理還面臨諸多挑戰(zhàn)。

        猜你喜歡
        熱容熱阻對(duì)流
        豎直單U型地埋管換熱器埋管間負(fù)熱阻現(xiàn)象的參數(shù)化研究與分析
        齊口裂腹魚集群行為對(duì)流態(tài)的響應(yīng)
        熱容式熱流密度傳感器的研制及應(yīng)用
        界面熱阻對(duì)L型鎂合金鑄件凝固過程溫度場(chǎng)的影響
        換熱設(shè)備污垢熱阻和腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)綜述
        基于ANSYS的自然對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算方法研究
        二元驅(qū)油水界面Marangoni對(duì)流啟動(dòng)殘余油機(jī)理
        三維復(fù)式晶格的熱容研究
        新型無接觸熱阻空調(diào)換熱器性能研究
        基于對(duì)流項(xiàng)的不同非線性差分格式的穩(wěn)定性
        91精品国自产拍老熟女露脸| 国产精品无码久久久一区蜜臀| 国产人成视频免费在线观看| 亚洲精品综合中文字幕组合| 免费无码又爽又刺激网站直播| 午夜不卡久久精品无码免费| 97久久久久国产精品嫩草影院| 亚洲hd高清在线一区二区| 老师开裆丝袜喷水视频| 日产精品久久久久久久性色 | 亚洲无人区乱码中文字幕能看| 免费无码av一区二区三区| 久久99国产乱子伦精品免费| 亚洲黄片高清在线观看| 亚洲熟女少妇精品综合| 亚洲日韩一区二区一无码| 国产在线不卡AV观看| 狠狠久久av一区二区三区| 少妇无码太爽了在线播放| 亚洲欧美日韩一区二区三区在线 | 亚洲va欧美va国产综合| 在线观看视频日本一区二区三区 | 初尝黑人嗷嗷叫中文字幕| 中日韩字幕中文字幕一区| 亚洲国产精品高清在线| 无码福利写真片视频在线播放| 国产麻豆一精品一AV一免费软件 | 久久频这里精品99香蕉| 国产二区中文字幕在线观看 | 香港三级精品三级在线专区| 人妻无码一区二区在线影院| 色偷偷亚洲精品一区二区| 亚洲夜夜性无码| 国产一区二区三区四区五区vm| 蜜臀av人妻一区二区三区| 久久久久亚洲av无码a片| 精品久久久久久777米琪桃花| 国产自产拍精品视频免费看| 亚洲黄色一级在线观看| 2020年国产精品| 国产精品入口蜜桃人妻|