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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研究

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发表于 2021-3-11 17:20:47 | 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研究

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1.2 电池等效热物性参数
选用的电池为18650圆柱形锂离子电池,根据相关标准选取电池等效热物性参数,具体参数如表1所示。
表1 电池等效热物性参数

2电池组建模及仿真分析
2.1 建立模型
为使电池的热量可以较快地传递至冷却液中,本文所选的液冷系统为底部散热,即水冷板与电池底部相接触。在相同列内相邻电池间的中心距为19.3 mm,在相同行内相邻电池间的中心距为22.5 mm;水冷板尺寸为260 mm×120 mm×10 mm,采用直径为6 mm的圆柱形水道,布置形式为蛇形布置,且每条水道与电池列方向水平并分布于电池正下方,电池组的结构如图1所示。
图1 电池组几何模型
为实现整车轻量化,水冷板的材质选择密度较小且导热系数较好的铝制材料,其热物性参数如表2所示。
在冷却液的选择方面,选择冷却性能较好且在不同温度下性质较为稳定的50%乙二醇水溶液作为该系统的冷却液[11-12],其热物性参数如表3所示。
表2 水冷板热物性参数
表3 冷却液热物性参数
由于外壳与系统间几乎无热量交换,为节约计算成本在计算时将电池组外壳忽略,并将上述模型导入仿真软件STAR CCM+中并进行六面体网格划分,网格总数为3 432 452,电池组的网格模型如图2所示。



图2 电池组网格模型

2.2 仿真分析
为保证仿真的效率及准确性,按以下原则对电池模型进行简化和假设:
1)电池密度、比热容、导热系数恒定,不受温度变化影响;
2)电池产生的热量主要被冷却液所吸收,忽略与壳体之间的热交换;
3)冷却液为理想液体,其热物性参数不受温度等因素影响。
在边界条件进行设定方面,为验证该冷却系统的冷却效果,模拟夏季高温环境,设定系统的初始温度为40℃,模拟电池大功率放电的极限工况,取电池以5 C放电倍率进行仿真。取电池的发热功率为26 219.88 W/m3,冷却液的流速为0.5 m/s,初始温度为40℃,冷却液入口处温度为25℃。
选择仿真时液体流动模型,需依据冷却液在水冷板中的流动状态即雷诺方程确定[13]
式中:Re为雷诺数;ρ为冷却液密度;v为冷却液流速;D为冷却液入口处截面直径;μ为冷却液动力黏度。
根据上述边界条件进行仿真,所得电池组放电终止时电池表面温度分布情况如图3所示。放电过程中电池组内最高温度与最低温度变化曲线如图4所示。
图3 电池组温度分布
图4 电池组温度变化曲线
图4中,放电终止时的最高温度为29.746℃,位于电池组的上方,由于电池是不良导热介质,且该处远离水冷板,所以热量的传递较慢,故该处温度最高;最低温度为25.932℃,位于电池与水冷板接触面且靠近冷却液入口处,该处冷却液温度最低,具有较强的换热能力,故该处热量交换的效果最好。比较放电终止时电池组内最高温度与最低温度的温度差值,最大温度差为3.814℃,满足锂离子电池最佳工作温度差小于5℃的要求[14-16]。但反观电池放电过程中电池组内温度变化情况可知,在放电开始后520 s时电池组内最大温差缩小至5℃之内,故该种结构仍需进一步优化。

3液冷系统结构优化
从电池组温度分布情况看,电池在靠近水冷板一侧的温度明显高于远离水冷板一侧的温度,造成该种结果的原因为电池是一种不良的导热介质,其导热系数较低,所以远离水冷板一端的热量无法及时传递到冷却液中而被自身吸收,导致电池温度升高。为进一步提高电池在放电工作时的温度一致性,本文对冷却系统结构进行优化设计,提出一种新的冷却系统结构,优化设计的具体方法是在电池顶部布置微型水冷管路,以解决电池组在散热过程中电池两端温差较大问题。管路进出水口的直径为2 mm,铝制薄衬套厚度为1.5 mm,内部为宽14.3 mm、厚2 mm的扁状管路结构,每个衬套的体积约为3.734×10-5 m3,质量约为0.101 kg,故对整车轻量化影响较小。为解决结构支路产生的冷却液流量变化问题,在优化后的结构中各个冷却液入口处均布置有小型节流阀,以控制各个入口处冷却液流速。优化后液冷系统布局如图5所示。
图5 优化后液冷系统冷却管路分布
保持原始边界条件不变,将优化后的液冷系统及电池组导入仿真软件中进行网格划分并进行仿真,结果如图6~7所示。
图6 优化后放电终止时电池组温度分布
图7 优化后电池组温度变化曲线
在放电终止时电池组的最高温度为26.821℃,较优化前降低2.925℃;最低温度为25.454℃,较优化前降低0.478℃;其最大温度差缩小至仅为1.367℃,电池组内的最大温差在放电开始272 s后降低至5℃以下,较优化前提前了248 s,极大地提高了电池模组的温度一致性,可有效解决电池组上下两端温度差过高的问题。
为进一步说明优化的有效性,将优化前后电池组内最大温差进行对比,如图8所示。可见,优化后的液冷系统的冷却能力较优化前有一定的提高,在放电过程中对于电池组内温度具有更好的控制效果,平均温差下降38%,达到标准温差时刻提前了47.7%。

4冷却液初始温度对系统冷却性能的影响
由图4及图7可知,在电池放电初始阶段电池组内最低温度的变化速率明显高于最高温度的变化速率,且电池组的最低温度稳定在冷却液入口处温度25℃左右,由此可见电池组的最低温度与冷却液入口处温度密切相关,若想进一步提高液冷系统的冷却性能需采用合理的冷却液温度对电池组进行散热。
图8 优化前后电池组内温差变化情况
为选择合理的温度作为该冷却系统中冷却液入口处的初始温度,在保证其他条件不变的情况下,取不同冷却液初始温度对系统进行仿真分析,并观察和记录放电终止时电池组内的最高温度、最低温度、最大温度差以及电池组内最大温度差小于5℃的起始时间。选择冷却液入口处的初始温度范围为20~30℃,区间内以2℃为取值间隔[14],仿真结果如表4所示。
表4 不同温度下电池组内温度变化趋势
可见,随着冷却液初始温度的升高,电池组放电过程中组内最大温差达到标准的时间逐渐缩短,且放电终止时的最大温差越低,故冷却液初始温度的提高对于电池组在放电过程中温度一致性有一定的提升;在放电终止时电池组内最高温度方面,随着冷却液初始温度的升高,放电终止时的最高温度呈上升趋势,若电池长期处于较高的温度环境下工作,对电池的使用寿命会有较大的影响[17-18]。
为了保证电池组在放电过程中最大温差尽可能快地降低至5℃以下,且该过程中电池组温度尽可能低,故本文采用逐渐降低冷却液温度的方法以实现上述2种预期。设定冷却液初始温度为30℃,对电池组进行冷却,当电池组内最高温度降低至34℃时将冷却液温度降低至29℃,随后每当电池组最高温度降低1℃,相应冷却液温度降低1℃(当冷却液温度降低至25℃时停止对冷却液温度的降低并保持该温度),直至放电结束。对该方案进行仿真分析,结果如图9所示。
图9 放电过程中电池组温度变化趋势
图9中,放电终止时电池组的最高温度为27.815℃,最低温度为25.840℃,最大温度差为1.965℃,且在放电开始96 s后电池组内最大温度差保持在5℃以下,达到预期效果。


5结论
对纯电动汽车动力电池组液冷系统性能进行讨论,针对存在的问题对其系统结构进行优化设计,并采用不同冷却液初始温度分析最佳的冷却方案。
1)与传统液冷系统结构相比,优化后的系统可有效控制电池组放电过程中温度变化,电池组内最高温度降低至26.821℃,且最大温度差仅1.367℃,平均温差下降38%,达到标准温差时刻提前了47.7%。
2)随着冷却液的变化,冷却系统的冷却能力也有所变化。在20~30℃时,随着冷却液温度的升高,放电终止时电池组内的最大温度差降低,最大温差达到标准要求所需时间缩短,在冷却液初始温度为30℃时所需时间最少,但在该种冷却液温度下,放电终止时的电池组内最高温度最高。
3)本研究所采用的逐步降低冷却液入口处初始温度方案可以有效地控制放电过程中电池组内温度变化,综合指标达到预期效果。初始温度较高的冷却液可以有效地使电池组在放电过程中最大温度尽快达到标准值,但对于放电终止时电池组内最高温度无法进行有效的限制,实际应用中应结合能量管理问题综合考虑。
来源:期刊-《重庆理工大学学报》;作者:王延宁
(广东科技学院)


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