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[电池材料] 动力电池模组冷却板散热性能结构参数敏感度研究

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发表于 2021-3-12 15:29:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
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动力电池模组冷却板散热性能结构参数敏感度研究
张梓皓1,2
(1. 武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,湖北 武汉 43007;2. 汽车零部件技术湖北省协同创新中心,湖北 武汉 430070)
摘 要:冷却板在目前的车用液冷式电池模组温控系统中广为应用,在冷却板结构中存在多个结构参数,包括冷却板厚度、冷却液流道管径、冷却液流道间距及冷却液流道结构等,这些参数影响着冷却板的散热性能.针对这些冷却板结构参数,通过CFD软件分别建立了仿真模型并进行单一变量的参数敏感度分析,得到了各结构参数对于冷却板散热性能的影响,为冷却板的设计提供参考.
关键词:动力电池模组;冷却板;散热性能;

目前动力电池模组散热系统按电池模组与外界环境关系主要可分为被动式散热系统和主动式散热系统两种.随着国家对电池安全性、快充要求等的各项性能要求的不断提高,被动式自然冷却已经难以满足电池的散热要求[1],在此处针对主动式散热系统进行进一步分析,按照换热介质可分为风冷式散热系统[2-3]、液冷式散热系统[4-5]、相变式散热系统[6]等.已有多位学者研究得出三种散热方式的效果好坏依次为液冷最佳,强制风冷次之,自然对流效果最差.液冷式温控结构中,Jarrett A等[7]证明,多通道蛇形流场冷却板的最高温度和温差比常规的蛇形流场有更好的冷却性能.Liu[8]等人以锂电芯为研究对象,研究了冷却板对其影响效果,得出了液冷式散热相比相变式散热系统散热能力及温度一致性更优的结论.Huo[9]等人提出了一种回转式的冷却板流道布置方式,探究不同的冷却液流道的布置方式及尺寸对于冷却板散热能力的影响,通过仿真过程得到了散热能力最佳的冷却板流道布置方式.由于具有液冷散热能力的冷却板导热系数高,传热效果好,可以很好地应用于工程中的加热与散热,在温控系统的研究领域广受关注[10-11].

本文基于某动力电池模组,对电池模组冷却板散热性能结构参数敏感度进行研究,基于CFD技术进行了相关的仿真工作.

1 电芯与电池模组的相关参数1.1 数据来源

本文所研究的电池模组成组方式为6并3串,共18枚24Ah电芯,模组设计尺寸为长度406.6mm×宽度121.7mm×高度113mm.本文所研究的锂离子电芯来自某公司所生产方形磷酸铁锂电池产品,产品尺寸约为宽度115mm×厚度20.7mm×高度109.5mm(包括极耳部分),其主要技术参数如表1所示.

表1 24Ah电芯主要技术参数

1.2 电芯的生热原理

在热力学中,一般可以用集总参数法和傅里叶定律来表述电芯温升特性.当某一物体内部温差较低时,可近似地认为在这种非稳态传热过程中该物体中温度分布仅随时间变化而与坐标无关,此时物体温度可通过其任意点的温度来表示,而将该物体的热容量等视为集中在该点,这种方法称为集总参数法.Bernardi生热模型首先假设电芯内部温度均匀而与其外形无关,最初由加州大学伯克利分校的D.Bernardi教授等人提出[5].


(1)

其中,i为电流,其正负值在充电时为负值,放电时为正值,Vb为电芯体积,T为温度,&#8706;UO/&#8706;T为温度影响系数,UO为开路电压,U为工作电压,Rb为电芯内阻.

2 冷却板仿真模型设计

以6P3S电池模组的冷却板为设计对象,将冷却板置于电池模组下方,电池包底板之上.结合电池模组尺寸,冷却板尺寸为长度406mm×宽度120mm×厚度8mm,内部布置冷却液,分别在冷却板侧面布置冷却液入口及出口.电芯产生的热量通过电池模组传递至冷却板,由管路内的冷却液导出.通过UG软件绘制冷却板及流场模型后,经由ICEM CFD软件进行模型的网格划分.为了更精准地模拟传热过程,在管路壁面处进行网格加密,之后将网格模型导入Fluent软件中.为方便后续的计算,忽略电池模组的外壳、侧支撑梁及电芯间的间隙对传热过程的影响,同时视电芯的排列方式为紧密接触的高密度布置.

图1 冷却板于电池模组的相对位置示意图

图2 冷却板结构示意图

表2 冷却板材料属性

冷却板选择铝合金材料,内部冷却液选择体积浓度50%,质量浓度53%的水-乙二醇溶液.由查表可知该溶液体积膨胀系数0.00039.因为冷却液的体积膨胀系数及其压缩系数都较小,因此此处可忽略液体的膨胀对液体导热系数、液体密度、液体粘度等的影响因此此处可以假设冷却液为不可压缩液体.相关材料属性如表2所示,在Materials中进行材料属性的设置.

表3 冷却液材料属性

设置冷却板与电池模组相接触的面为传热壁面,由于相互接触位置缝隙极小,可忽略热辐射对换热带来的影响.设置此处为热流换热,根据公式可计算得出1C放电倍率下单个电芯产热功率约为2.304W,6P3S电池模组共18枚电芯,接触面积为4.347×10-2m2,则可得接触面热通量为9.54×102W/m2.假设电池模组与周围环境的对流换热系数为3W/(m2·K).对于不可压缩液体,由于液体介质密度为常数,此处采用速度入口边界.根据电池模组生热状况,为保证冷却液能有效地对温度进行控制,设置冷却液入口流速为5m/s,水力直径设置为水道直径,湍流强度7%,入口温度25℃.出口边界压力设置为0Pa.求解方案格式设置为SIMPLE,对于压力、动量、湍流消散等空间离散方程,设置为二阶迎风格式.网格梯度计算方法选择默认值,即基于单元的最小二乘法.初始温度设置为26.85℃.

3 单一变量的冷却板结构参数散热敏感度分析

在冷却板结构中存在多个结构参数,包括冷却板厚度、冷却液流道管径、冷却液流道间距及冷却液流道结构等,这些参数影响着冷却板的散热性能.

3.1 冷却液流道间距对于冷却板散热性能的影响

冷却液流道间距一定程度上影响着冷却板散热性能,为了对比不同的冷却液流道间距对于冷却板散热性能的影响,以流道间距为单一变量,冷却板流道管径为4mm,冷却板厚度为8mm,分别设计了流道间距为30 mm、24 mm、17 mm、10 mm的四种冷却板,将分别产生3、5、7、11条流道.保持统一的入口温度、入口流速等边界条件设置,对不同流道间距的冷却板分别建立仿真模型进行仿真分析,得到如下图所示的冷却液流道间距与最高温度Tmax间的关系,如图3所示.

由于流道间距的增大,冷却液流道数量下降,导致了总的换热面积及冷却液总流量的下降,较大程度地减弱了冷却板的散热性能.即更小的流道间距更为有利于降低电池模组温度的和维持电池模组内电芯温度的均匀分布.流道间距的增大对于冷却板温度分布均匀性的影响非常明显,影响冷却板散热的能力进而影响到电池包内电池模组温度的一致性.因此在冷却液流道间距为10mm时,冷却板的最高温度为最低值,同时在该冷却液流道间距下,冷却板温度分布较为均衡,更有利于电池包内电池模组的散热.

图3 不同冷却液流道间距下的温度分布云图

图4 不同冷却液流道间距条件下的最高温度及最大温差

3.2 冷却板厚度对于冷却板散热性能的影响

当冷却板长宽尺寸确定时,冷却板厚度决定了冷却板在厚度方向上的截面积大小.为了对比不同的冷却板厚度对于冷却板散热性能的影响,以厚度为单一变量,分别设计了厚度为5-8mm的五种冷却板,对五种厚度的冷却板分别建立仿真模型,令冷却板厚度为单一变量,进行仿真分析及计算,得到冷却板厚度变化对最高温度Tmax及换热系数h带来的影响,其中8mm厚度冷却板温度云图同图2中的图像(1).

图5 不同冷却板厚度下的温度分布云图

根据换热系数表达式可得,在冷却液流道管径不变的前提下,增大冷却板厚度,将会增大冷却板截面面积.由于冷却板材质为铝合金,其导热系数远大于冷却液导热系数,根据傅里叶定律,更大的冷却板厚度更有利于热量的扩散,使得最高温度随着液冷板厚度的增加而降低,同时换热系数随着冷却板厚度的增加而增大.

3.3 冷却液流道管径对于冷却板散热性能的影响

冷却液流道管径影响着冷却液的流量等因素,为了对比不同冷却液管径对于冷却板散热性能的影响,维持冷却板的长宽尺寸、流道间距及流道结构不变,同时由3.2节结论,确定冷却板厚度为8mm.以流道管径为单一变量,分别设计了管径2mm、3mm、4mm、5mm四种冷却板并对其仿真分析,得到冷却液流道管径与最高温度Tmax间的关系,其中4mm冷却液流道管径的冷却板温度云图同图2的图像(1).

由换热系数表达式可知,随着管径的增加,流道截面面积和散热面积将会增大,散热系数提高,即意味着更好的散热性能.同时由湍流模型表达式,过小的管径会使得雷诺数Re下降,增大冷却液内摩擦力导致流道内部流体运动受到粘滞性影响,冷却液瞬时流量减少,弱化冷却板的散热性能.因此在冷却液流道管径为5mm时,冷却板最高温度为最低值.

图6 不同冷却板厚度条件下的最高温度与最大温差

图7 不同冷却液流道管径下的冷却板温度分布云图

图8 不同冷却液流道管径条件下的最高温度

3.4 冷却液流道管径对于冷却板散热性能的影响

不同的冷却液流道结构对于流道数量、冷却液流量等都有着一定程度的影响,为了对比不同的流道结构对于冷却板散热性能的影响,以流道结构为单一变量,冷却板板厚为8mm,流道管径为4mm,流道间距为10mm,以i、ii、iii、iv、v、vi命名进行了六种不同冷却板流道结构的设计,保持相同的边界条件设置,分别对各冷却板进行仿真分析.仿真结果如图8所示.

从图中可看出,结构i、ii温度分布更为不均,结构形式i的上半部分温度较高,结构ii的左半部分温度较高,此种温度分布将导致电池模组内电芯温度偏向一侧升高,从而不利于电池包内部温度的均匀分布.而结构iv的中间部分温度较四周较高,容易导致电池模组温度向着模组的中心部分聚集,不利于电池模组温度的均匀分布.结构iii左右下方棱角区域温度偏高,对温度的控制不及结构v及vi.

为使得对于各冷却板结构温度分布的观测更为精确,在冷却板中取八个温度监测点,如图9.其中1点取在冷却板的中心位置,3-9点延顺时针方向分别取在冷却板棱角及四条棱边中点附近.由于右上角均为冷却液入口,入口温度恒定,因此此区域不取监测点.得到各结构中的各点温度曲线如图10所示.

由各监测点温度曲线可看出,结构ii对应的温度曲线起伏最大,在6、7点监测点位温度骤升,反映出在该种结构条件下存在较严重的温度分布不均匀性.

图9 各冷却液流道结构温度分布图

图10 冷却板温度监测点

图11 不同冷却板结构条件下各监测点温度曲线

图12 不同冷却板流道结构最高温度

而结构v对应的温度曲线起伏更小,且在多点都具有较低的温度.同时,在下图12中可看出,结构v较结构vi有更小的最高温度值,说明在结构v这种冷却液流道结构条件下,冷却板表面的温度分布更为均匀,可以更为有效地保证电池模组中电芯温度的下降和温度一致性.

4 结语

本文分别考虑了电池模组液冷温控系统中的冷却板厚度、冷却液流道管径、冷却液流道间距及冷却液流道结构四个结构参数对于冷却板温度的影响,确定冷却板最优设计方案为冷却液流道间距10mm,冷却板厚度8mm,冷却液流道管径4mm,冷却板流道结构为结构v.采用此设计的冷却板最高温度为29.73℃,且表面温度分布较为均匀,适合电池模组的散热与电芯温度的均匀分布,为液冷式电池模组温控系统中冷却板的设计提供了一定的参考性.

参考文献:

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[12]Bernardi D.,Pawlikowski E.,Newman J.A general energy balance for battery systems[J].Journal of the Electrochemical Society,1985,132(1):5-12.


Sensitivity Study on Structural Parameters of Cooling Performance of Cooling Plate of Power Battery Module
ZHANG Zihao
(Hubei Key Laboratory of Modern Auto Parts Technology, Wuhan University of Technology,Wuhan Hubei 430070, China;Automotive Parts Technology Hubei Collaborative Innovation Center, Wuhan Hubei 430070, China)

Abstract:The cooling plate is widely used in the current vehicle liquid-cooled battery module temperature control system, and there are several structural parameters in the cooling plate structure, including cooling plate thickness, coolant runner diameter, coolant runner spacing and coolant runner structure, which affect the cooling performance of the cooling plate. In view of these cooling plate structural parameters, the simulation model and the parameter sensitivity analysis of a single variable are established by CFD software, and the influence of each structure parameter on the cooling performance of the cooling plate is obtained, which provides reference for the design of the cooling plate.

Key Words:power battery module; cooling plate; thermal performance;


中图分类号:TM912

文献标识码:A

文章编号:1008-4681(2020)02-0024-06

收稿日期:2020-01-22

基金项目:国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项“高效纯电动客车动力平台及整车集成关键技术”,编号:2017YFB0103900.

作者简介:张梓皓,男,湖南长沙人,武汉理工大学汽车工程学院硕士.

(责任编校:王平)



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