锂离子电池模组水冷散热结构分析_周孟林 (1).pdf
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1、第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言在新能源汽车快速发展的狂潮下,电动汽车得到了极大的关注。动力电池作为电动汽车最核心的装置1,其工作温度的高低对电池的性能有较大的影响,温度过高会减少动力电池发出的最大功率,降低汽车的动力性2,因此针对动力电池热管理系统的研究意义重大。动力电池可以比作是电动汽车的心脏,而温度问题对电池性能的影响极为重要3。电动汽车由于电池系统出现热失控而引发的安全问题时有发生,并且大容量电池内部排列紧密4,空间紧凑,在
2、高功率做功容易产生大量热量,如果热量不及时排出,便会造成电池系统内部温度过高,内外温差过大,极易导致电动汽车的安全问题5,因此研究电池散热效果好坏极其重要。电池散热方式主要分为 3 种:空气冷却、液体冷却和相变材料冷却6。Mahamud 等7提出设计多个阀门,利用对阀门的控制来控制空气的流向,进而研究改变空气流通方向对电池散热结构的影响,分析其散热效果。Wu 等8通过改变不同冷板材料和冷板形状结构对冷板式液冷散热系统进行研究,试图找出最佳的散热效果。研究表明,波浪型的冷板式结构电池的散热效果最佳。徐晓明等9研究设计了几种管道布置方案,分析液体的流动路径对电池散热的影响。仿真分析结果表明,冷却介
3、质以双进双出流动方式散热效果最优,经相关实验进行验证,实验结果与仿真结果大致相同10。相变材料(PCM)散热就是利用相变材料自身的性能,doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.026锂离子电池模组水冷散热结构分析周孟林(200093 上海市 上海理工大学)摘要 针对大容量锂离子电池工作时的温升问题,根据锂离子电池的生热原理和传热机制,设计了由单体电池组成电池模组时的 2 种不同水道结构的液冷散热方案,并通过有限元软件 ANSYS Fluent 模拟分析了 2 种方案电池模组在不同放电倍率下的温度场。结果表明,随着电池放电倍率的增加,电池模组的温度逐渐提高,温差
4、也越大,从 0.5C放电倍率下温差为 1 增加到 2C 放电倍率下的 8,相比之下,方案 A 的冷却效果更好,且方案 A 的水道压降小,有利于冷却液在循环系统中循环散热。随后,对方案 A 中不同进口速度进行分析。结果表明,随着进口速度的增大,电池模组最高温度与最大温差都减小,冷却效果更好。关键词 锂离子电池;放电倍率;有限元仿真;温度场 中图分类号 U464.9+3;TM912 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0125-05引用格式:周孟林.锂离子电池模组水冷散热结构分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):125-129.Analysis of wat
5、er cooling and heat dissipation structure of lithium-ion battery moduleZHOU Menglin(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)Abstract For large capacity lithium-ion battery temperature problems at work,according to the principle of heating and heat transfer mechanism o
6、f lithium ion batteries,the heat dissipation scheme of two kinds of different channel structures is designed when the battery module consists of monomer battery,and through the finite element software ANSYS Fluent,the battery module temperature field of the two kinds of schemes under different disch
7、arge rate is simulated and analyzed.The results show that with the increase of the battery discharge rate,the temperature of the battery module increases gradually,and the temperature difference is bigger,increasing from 1 at 0.5C discharge rate to 8 at 2C discharge rate.In contrast,the cooling effe
8、ct of Scheme A is better,and the waterway pressure drop of Scheme A is smaller,which is advantageous to the circulation and heat dissipation of coolant in the circulatory system.The analysis of different inlet velocities in scheme A shows that the maximum temperature and maximum temperature differen
9、ce of the battery module decrease with the increase of inlet velocities,and the cooling effect is better.Key words lithium-ion battery;discharge rate;finite element simulation;temperature field收稿日期:2022-01-11 126农业装备与车辆工程 2023 年相变材料在吸收大量热量时会发生变形,燃料本身的温度变化却不高。但是相变材料成本比较高,并且导热系数相对较低11。综上所述,为了使动力电池处于安全
10、的温度区间工作,保证其安全性,发挥最佳性能,本文设计了 2 种液冷散热结构,降低电池模组的温度,提高散热效果。1 数值模型 1.1 锂离子电池生热机理锂离子电池产生的热量主要由反应热、副反应热、极化热和焦耳热等 4 部分组成12,由于过充和过放、电解质分解及自放电产生的副反应热几乎为 0,故忽略副反应热,只考虑反应热 Qr、焦耳热 Qj和极化热 Qp。在进行充放电时,锂离子电池产生的总热量 Q可表示为 Q=Qr+Qj+Qp=ITddTE+I2(Rj+Rp)(1)式中:T 电池温度,K;E 电池电动势,V;I电池充放电电流,A;Rj+Rp电池总内阻,m。1.2 热边界条件1.2.1 电池与空气接
11、触的对流边界根据牛顿冷却定律,锂离子电池表面与空气接触,存在温差进行对流换热13,计算公式为q=h(Ta-Tb)(2)式中:q热流密度;h对流换热系数;Ta电池表面温度;Tb与电池表面发生热交换的介质温度。1.2.2 电池与液冷板之间的换热边界电池与电池、电池与液冷板直接接触,而相互接触的物体存在温差时,热量总是会从高温物体传递到低温物体上,所以就会发生热传导。热传导的规律遵从傅里叶导数定律,其计算公式为gradqttTf=-=-(3)式中:qf热流密度;导热系数;tT电极等温线法线方向的温度梯度,k/m。1.2.3 液体与液冷板之间的对流换热边界冷却水与液冷板之间进行对流换热,在进行内部流体
12、热量传递的过程中,基于有限元法对计算域进行离散。为了求解动量方程和能量方程,将连续方程、动量方程和能量方程构成求解湍流流动与换热的控制方程组14。连续性方程:()tU0+=(4)动量方程:()()tUUUPSM+=-+(5)能量方程:()()()thtUhTUU SStottotME-+=+()(6)其中,总焓值 htot与静态焓 h(T,p)有关:hhU21tot2=+(7)式中:密度,kg/m3;散度;t时间,s;U速度矢量;粘性应力,由分子粘性作用产生;P流体微元体上的压力,Pa;SM广义源项;T温度,;第 2 粘度;(U)粘性应力做功;U SM外部动量热源做功。2 电池模组的仿真分析建
13、立单体电池集合模型时,考虑到后续仿真和划分网格等流程、建模的方便和结构紧凑,忽略了电池的正负极耳和电池内部不分层等相关结构。单体电池的参数极性能指标如表 1 所示。表 1 单体电池性能指标参数Tab.1 Performance specification of a battery锂离子聚合物电池3.65 V 50(Ah)电池尺寸(长 宽 高)/mm1482892充电上限电压/V3.8放电终止电压/V2.5内阻/m 3(常温)根据实验与仿真计算,得出了单体电池在不同放电倍率下的生热率,如表 2 所示。表 2 单体电池在不同放电倍率下的生热率Tab.1 Heat generation rate o
14、f a single battery at different discharge rates放电倍率2C1C0.5C生热率/W1.95.6516.37基于单体电池的尺寸与容量,为使电池模组结构紧凑,布置简单,故而设计了 15 形式锂离子电池模组,模型如图 1 所示。图 1 电池模组三维模型Fig.1 3D model of battery module127第 61 卷第 3 期利用有限元仿真法计算了电池模组在不同放电倍率下的空冷情况下的温度分布,环境温度为25,结果如表 3 所示。表 3 电池模组在不同放电倍率下的温度分布Tab.3 Temperature distribution of
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