畢方淇,蔣鑫,孫建新,鞏彬,劉同聰,張榮彬,李志,花蕾
(淄博市農(nóng)業(yè)機械研究所,山東 淄博 255038)
隨著我國社會、經(jīng)濟的協(xié)同發(fā)展和交通運輸需求的持續(xù)提升,以燃油作為主要能源的交通用能結(jié)構(gòu)導(dǎo)致碳排放和化石能源消耗不斷增加[1]。今天,越來越多的政府已經(jīng)著手從國家層面出臺政策和措施,逐步降低燃油汽車的占比。發(fā)展新能源汽車,已成為應(yīng)對氣候變化,實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的戰(zhàn)略舉措[2-5]。
鋰電池組是影響新能源汽車動力性、安全性和耐久性最主要因素之一[6]。而鋰電池組散熱,又是鋰電池組研究的重要內(nèi)容之一。安治國等人通過數(shù)值分析的方法分析了復(fù)合相變材料(CPCM)中不同冷卻液溫度、流速,以及相變材料中不同膨脹石墨占比對系統(tǒng)散熱性能的影響[7]。杜柏林等人通過試驗和數(shù)值模擬,進行以液體冷卻通道間距、冷卻液流速和復(fù)合相變材料厚度為因素,以電池組表面最大溫差和最高溫度為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)了最大溫差安全范圍內(nèi)的電池組最高溫度的大幅下降[8]。
在 CPCM 液冷工作時,冷卻流道形狀和翅片分布對冷卻效果有較大的影響[9]。當(dāng)前的相關(guān)研究在針對冷卻流道形狀和翅片布局方式上,多基于不同的翅片的特征或結(jié)構(gòu)形式,忽略了由結(jié)構(gòu)特征改變導(dǎo)致相變材料體積發(fā)生變化的問題。當(dāng)厚度相同、高度相同的 0 階翅片與 1 階翅片進行散熱效果對比時,后者的相變材料體積占比要少于前者。如此對比,結(jié)果嚴(yán)謹性不足。
為此,針對以上問題,筆者基于相同結(jié)構(gòu)特征的圓形帶翅片冷卻流道,以流道整體厚度、翅片數(shù)量、圓形帶翅片冷卻流道橫截面積為因素,以電池組最高溫度和最大溫差為優(yōu)化目標(biāo),進行 3 水平3 因素正交試驗數(shù)值模擬,以期得出以上三因素對鋰電池組冷卻效果的影響。
鋰電池組模型如圖 1 所示,由方形磷酸鐵鋰電池、復(fù)合相變材料(CPCM)、圓形帶翅片鋁制冷卻流道組成。其中,方形磷酸鐵鋰電池長 140 mm,寬 65 mm,高 18 mm。復(fù)合相變材料為膨脹石墨占比達 25 % 的石蠟(RT44HC),有 7 mm 厚。圓形帶翅片鋁制冷卻流道內(nèi)部通入冷卻液。其內(nèi)徑為固定值,為 2.7 mm。由于該模型左右方向尺寸完全一致,為了在保證計算精度的前提下減少計算時間,提高計算效率,將該模型簡化為圖 2 所示二維平移周期性模型。其中,平移周期為 25 mm,方向豎直。平移周期中,上部電池厚 9 mm,中間 CPCM層厚 7 mm,下部電池厚 9 mm。
圖1 鋰電池組模型示意圖
圖2 簡化后二維平移周期性模型
為選取合適的因素,讓試驗具備較為嚴(yán)謹?shù)目蓪Ρ刃?,將圓形帶翅片鋁制冷卻流道內(nèi)徑尺寸設(shè)置為固定值 2.7 mm?;诂F(xiàn)有加工工藝、常見流道結(jié)構(gòu)特征,選取流道整體厚度(因素 A)、翅片數(shù)量(因素 B)、鋁制冷卻流道橫截面積(因素 C)為設(shè)計因子(參見表 1),以電池組最高溫度 Tmax和電池組表面最大溫差 ΔTmax為評價指標(biāo)。
表1 正交因素水平
對于本次散熱分析,做出如下假設(shè):① 在不同材質(zhì)接觸界面,不存在接觸熱阻和輻射傳熱;②相變過程中,復(fù)合相變材料的體積變化可以忽略不計,復(fù)合相變材料融化后不發(fā)生流動,而且復(fù)合相變材料融化前后熱物性參數(shù)不發(fā)生改變;③ 電池組中每一塊鋰電池各處均勻發(fā)熱。
在絕熱條件下,鋰電池發(fā)熱量可按照公式
計算。式(1)中:Qb為電池發(fā)熱量;mb為電池質(zhì)量;cb為電池比熱容;θb1為電池放電前溫度,在這里根據(jù)試驗設(shè)計取 40 ℃;θb2為電池放電結(jié)束時溫度。
相變材料在熱管理系統(tǒng)運行過程中處于能量守恒,有以下方程式:
式(2)中:ρ為相變材料密度;λ 為相變材料的熱導(dǎo)率;H 為相變材料的焓。
CPCM 熱物性參數(shù):密度 890 kg/m3;比熱2 500 J/(kg·℃);熱導(dǎo)率 10.8 W/(m·K);相變溫度 44 ℃;相變潛熱 8 790 J/(kg·K)。
根據(jù)建立的二維平移周期性模型,采用ICEM,進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,如圖 3 所示。在劃分時將幾何模型設(shè)置為平移周期性模型,偏移值為(0 0.025 0)。圓形帶翅片鋁制冷卻流道的網(wǎng)格大小為 0.15 mm,其外部區(qū)域網(wǎng)格增長率為 1.1。
圖3 網(wǎng)格劃分示意圖
在進行數(shù)值模擬時,模擬精度和收斂性是重要指標(biāo),而網(wǎng)格數(shù)量對這兩者影響較大。為了提高計算的可靠性,對模型進行網(wǎng)格獨立性驗證。采用5 153、10 260、21 879 三種數(shù)量的網(wǎng)格對幾何模型分別進行相同邊界條件的數(shù)值模擬,得出如圖 4 所示的鋰電池最高溫度 θmax分布。
圖4 不同網(wǎng)格數(shù)量下電池最高溫度曲線
由圖 4 可以看出,雖然網(wǎng)格數(shù)量不同,但是計算結(jié)果相差不大。隨著模型劃分網(wǎng)格數(shù)量的逐漸增多,結(jié)果趨于穩(wěn)定。在保證計算準(zhǔn)確性的前提下,選擇采用網(wǎng)格數(shù)量為 10 260 進行數(shù)值模擬,以達到兼顧計算效率和結(jié)果可靠性的目的。
將劃分的網(wǎng)格導(dǎo)入 FLUENT 進行數(shù)值模擬。導(dǎo)入后,頂部和底部的一對周期性邊界會識別為Periodic。在 Model 中打開能量選項和融化凝固選項。
電池參數(shù)基本如下:質(zhì)量為 350 g;額定容量為15 A·h;密度為 2 101 kg/m3;比熱為 1 014 J/(kg·℃);熱導(dǎo)率(x,y)為 29 W/(m·K);熱導(dǎo)率(z)為 1 W/(m·K);2.5C 發(fā)熱量為 60 439.56 W/m3[8]。
與冷卻液接觸壁面溫度為 40 ℃。電池組與外部環(huán)境溫度熱對流系數(shù)為 5 W/m2?K。環(huán)境溫度為40 ℃。按步長 5 s,采用瞬態(tài)計算的總時間為 1 440 s。
計算后結(jié)果如圖 5 所示:電池最高溫度發(fā)生在鋰電池中心區(qū)域;最低溫度出現(xiàn)在電池與冷卻流道距離最小位置。由此可以看出,圓形帶翅片鋁制冷卻流道對電池組有良好的散熱效果。
圖5 溫度云圖
對不同水平下鋰電池與 CPCM 接觸面所在直線溫度進行提取,繪制溫度—距離曲線。由圖 6 可以看出,流道整體厚度、翅片數(shù)量、鋁制冷卻流道橫截面積不同時,對接觸面上最高溫度的影響相差較大。其中,采用工況 7 時冷卻效果最好,電池表面最高溫度 53.394 ℃,而采用工況 8 時冷卻效果最差,電池表面最高溫度 55.621 ℃。兩者表面最高溫度差值為 2.227 ℃。
圖6 鋰電池與 CPCM 接觸面溫度—距離曲線
匯總正交試驗方案及結(jié)果如表 2 所示。對正交表進行極差(R)分析,根據(jù)極差計算結(jié)果及水平效應(yīng)估計值 I、K 值,進一步判斷評價指標(biāo)受到各因素水平變化的影響。根據(jù)表 3 可知,橫截面積這個因素所對應(yīng)的電池最高溫度和電池最大溫差的極差值(R)最大,說明橫截面積對電池組散熱影響最大。
表2 正交試驗方案及結(jié)果
表3 極差分析
由此可知,對于電池組最高溫度 Tmax所受到的以上 3 因素影響程度,按從大到小的順序排列為:鋁制冷卻流道橫截面積、流道整體厚度、翅片數(shù)量。對于電池組最大溫差 ΔTmax受到的以上 3 因素影響程度,按從大到小的順序排列為:鋁制冷卻流道橫截面積、翅片數(shù)量、流道整體厚度。
采用數(shù)值模擬的方法,對相同結(jié)構(gòu)特征的圓形帶翅片冷卻流道,以流道整體厚度、翅片數(shù)量、圓形帶翅片冷卻流道橫截面積為因素,電池組最高溫度和最大溫差為優(yōu)化目標(biāo)進行分析,得出鋁制冷卻流道橫截面積對電池組散熱影響最大,但是,隨著鋁制冷卻流道橫截面積的增大,CPCM 質(zhì)量和體積勢必會減少,設(shè)計時還需綜合考慮以上各因素。