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[电池材料] 纯电动汽车动力电池组液冷系统优化及冷却性能分析

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发表于 2021-2-23 14:29:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
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纯电动汽车动力电池组液冷系统优化及冷却性能分析
林金源 魏小红
江铃汽车股份有限公司 江西省南昌市 330000
摘 要: 现阶段,在电动汽车的使用过程中,散热的问题严重影响着汽车电池的使用寿命。在电动汽车的动力电池当中,长期存在着导热系数较低、液冷系统结构不合理等诸多问题,为此本文主要就纯电动汽车电池组液冷系统进行优化,以及对冷却性能进行相应的分析,以此来提升液冷系统的散热能力。
关键词:纯电动汽车 电池组 液冷系统 冷却性能 冷却液
1 引言

随着近些年来的发展,汽车行业当中的新能源汽车已经得到了一定的普及,更多的人在选择汽车的时候会考虑新能源汽车。在使用的过程中,由于汽车的放电会导致很多热能产生,一旦冷却系统无法及时的对这些热量进行吸收,就会导致电池的温度不断升高,进而降低了电池的使用寿命,甚至会导致电池的起火爆炸等事故的发生。

2 锂离子电池生热原理以及参数2.1 电池生热原理

在使用电池的过程中,放电过程是由一系列的化学反应而决定的[1]。同时在反应的过程中会产生一定的热量,为此对于电池所产生的实际热量可以用以下公式进行表示[2]:


在该反应式下,其Qr 用以表示反应热;焦耳热用Qj 表示;Qp 表示为极化热;Qs 表示为副反应热;Qe 则是表示电池在电极处所发生的反应热;n 表示为电池模组在电池当中的总数量;m 则是便是对于每一个单独电池的电机质量;I 则是电池充放电过程中的电流值;M 表示为摩尔质量;F 为法拉第常数;Re 则可以表示为电池的欧姆电阻值。

在所表示的副反应热当中,是组成主反应热的一部分,实际所产生的热量,是电池在使用的过程中,其电解液分解所产生的,在这个过程中,其产生的实际热量相对较小,一般情况下可以忽略不计。

在对电池放电的过程中所产生的实际热量进行相应的计算的过程中,需要依据上述表达出的具体反应式,进行数学模型的建立,以此提高计算过程的科学性。本文在分析这个问题的过程中,采用了Bernardi 的方式,对其电池所产生的热量进行相应的模型计算,具体的公式如下所示[3]:


在该反应式下,q 为电池所产生热量的速度,又称热率,I 代表充电电流,E0 代表电池动势,UI 代表电压,T 则是表示为电池的实际温度,Vb 表示电池体积。

2.2 电池等效热物性参数

在本文的分析中,选择了18650 圆柱形锂离子电池,同时依据相关标准的规定,对其电池等效热物性参数进行选择。

3 电池组建模以及仿真分析3.1 建立模型

为了进一步的让电池所产生的热量,能够很好的进行传递,让冷却液发挥出应有的作用,在本文的分析中,选用的液冷系统为底部散热的方式,也就是让水冷板同电池的底部进行相连。在具体的尺寸方面,需要保证在两个相邻的电池之间中心点的位置距离为19.2mm,而在相同行之间的电池距离上,则需要控制在23.4mm。在采用的水冷板尺寸方面,需要使用圆柱形水道,并将其直径控制在5mm,以蛇形的方式进行安装,以此保障每一条设置的水道,都同电池列的方向相互平行,在电池的正下方进行安装,以此形成最佳的散热效果。

同时,为了使车体的重量下降,就需要在水冷板的材质方面进行优化处理,需要采用较低密度,同时具有良好的导热系数的铝制材料。而在冷却液的方面,则需要保障其冷却性能较高,同时在不同的温度环境下,仍然可以拥有稳定的冷却性能,在冷冻液的选择上,本文选择使用50% 乙二醇水溶液,当作试验所用冷却液。

由于电池均具备外壳,且系统之间并不会发生热量的交换,因此在进行设计的过程中,出于节约成本的目的,在进行计算的过程中,可以对电池组的外壳的影响因素进行忽略。同时在建立起的模型方面,需要导入仿真数据,对其进行六面体网格的实际划分,这样就可以形成合理的电池组网格模型,并对其进行细致的分析。下图1 为电池组模型。

图1 电池组模型

3.2 仿真分析

为了保障进行的仿真试验具有较高的效率性以及准确性,需要依据以下的原则进行相应的电池模型简化,以及进行合理的假设。

首先需要保障电池的密度、比热容以及导热的系数,在使用的过程中不会受到外界温度的影响而发生变化。之后电池所产生的实际热量上,需要绝大部分都被冷却液所吸收,并在计算的过程中,可以忽略电池同外壳之间的热交换。冷却液是一种理想的液体,为此其热物性能参数不会受到外界温度的影响。同时在对边界条件进行设计的过程中,需要对其冷却系统的实际冷却效果进行检验,并对在夏季的高温环境下进行模拟测试。在操作的过程中,需要将系统的初始温度设定为40 摄氏度,之后还需要对电池进行大功率的模拟,以此到达电池的极限工况,之后再去电池在5C 放电倍率下进行仿真试验。同时还要取电池的实际发热功率进行相关计算,对于冷却液的流速上,设定为0.5m/s,由于设定的初始温度为40 摄氏度,为此在冷却液的入口位置,实际温度为25 摄氏度。

在进行液体流动模型的建立过程中,需要依据冷却液在水冷板中的流动状态进行决定,为此需要针对雷诺方程进行模型的确定。

为了保障能够在设定好的边界条件下,进行相应的仿真试验,以此获取到电池组在使用的过程中,放电终止之后电池表面温度的实际分布,以此来绘制出电池在放电过程中,电池组的最高温度与最低温度的实际变化。具体的变化如下图2 所示。

图2 电池组温度变化

如上图2 所示,在电池组放电的过程中,实际最高的温度在29 摄氏度左右,该温度出现在电池组的上方位置,这样的原因是由于电池本质上是一种不良的导热介质,同时该部位远离水冷板,以此造成了热量传递的不佳,因此该处的温度较高。而电池组最低温度为25 摄氏度左右。这个温度出现在电池同水冷板的接触位置,且十分靠近冷却液的入口处位置。这里温度的最低,是由于在这个位置有着较强的换热能力,为此该处的温度达到了最低,拥有着较强的热量交换效果。在电池放电终止之后,对电池组的最高温度与最低温度进行温度差的计算,实际的温度差在3 摄氏度左右,因此符合锂离子在工作的过程中,最佳的温度差为5 摄氏度以下的标准。

4 液冷系统结构优化

在对于电池组的温度情况进行分析之后,由于在电池靠近水冷板的位置有着较好的温度控制,而在远离水冷板的一侧导热效果不佳,这种情况的发生是由于电池是一种导热性质不好的介质,导热系数较低,使得无法将一侧的热量传递到另一侧,因此冷却液无法很好的吸收电池所发出的热量,因此让电池温度升高。因此需要进一步的对其电池结构进行优化,以此让冷却液能够高效吸收热量,让电池在放电的过程中,保持温度的一致性。在设计出的全新冷却系统的机构中,需要主要是采用,在电池的顶部位置,进行微型水冷管路的安装,从而解决上部没有同水冷板接触的温度,进而解决在发热的过程中存在的温度不均的问题。同时,为了进一步的对结构支路冷却液流量发生变化的问题进行处理,需要安装一些小型的节流阀,以此来对每一个入口处进行流速的控制,这样最大化的优化液冷系统。

在优化的过程中,还需保持原始的边界条件不发生相应的变化,同时再将优化后的液冷系统,以及电池组进行仿真模拟,从而对其进行网格的划分,以形成仿真的实验分析。

在分析的过程中,发现放电在终止之后,实际的最高温度在26 摄氏度左右,因此比优化设计之前,降低了2 摄氏度左右,而最低温度也在25 摄氏度左右,降低了不到1 摄氏度,同时将最大的温度差降低到了1 摄氏度左右,为此形成了良好的优化效果。之后为了进一步的对优化设计进行合理性的分析,还对两组不同的温度差进行了详细的对比,以得出优化方案可以很好的解决温度不均匀的现象。

5 结语

综上所述,在对纯电动汽车动力电池组液冷系统优化及冷却性能分析过程中,为了进一步的提升电池的使用寿命以及使用过程中的安全性,就需要对其发生的温度不均匀问题进行解决,本文采用对冷却系统进行结构优化的方式进行处理。



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