一种基于风冷系统的新型汽车动力电池散热模组设计_付波.pdf
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1、随着新能源汽车动力电池的能量密度日益提高,一般风冷散热方式难以满足电池散热要求。因此,提出了一种新型热管嵌入式动力电池风冷散热模组,在不同工况下对电池最高温度及最大温差进行数值计算,并将其性能与无热管的风冷散热模组进行比较。结果表明,在电池以最大倍率()放电,空气流量为 时,有热管的电池模组对比无热管的电池模组,其电池最高温度降低了 ,电池间最大温差降低了 ,表明该模组满足电池散热要求同时具有更佳的散热性和均温性。通过优化散热器翅片参数可进一步提高该模组的散热性能。关键词:电池模组;数值模拟;热管;均温性;风冷散热中图分类号:文献标识码:文章编号:()全球大气污染和能源危机问题不断加剧,使世界
2、各国都在试图进行汽车产业的转型,而发展电动汽车已被看成是转型低碳经济和保障能源安全的重要途径。动力电池作为电动汽车最为核心的零部件之一,其工作性能表现出对温度的高度敏感性,当其工作温度过高或过低时,将引起电池可用容量较快衰减,从而直接影响电动车的续航里程和电池的使用寿命。随着动力电池的大型化和高集成化,为保证动力电池的工作性能和安全性能,对动力电池组采取有效的散热措施便显得尤为重要。目前针对动力电池的散热方式,主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却等。空气冷却一般利用强制对流方式,让空气流经电池表面从而带走热量,主要可通过优化风道设计和电芯排列布置来提高该方式的散热性能。等构建的不均匀电池间距
3、分布的对称风冷系统,相比非对称系统,使得电池间最大温差降低了,能耗降低了。并行结构复杂,占用空间大,可通过改变流道进风角电 子 器 件第 卷度、出风角度和预留的流道尺寸调整散热效果。等对带有导热散热板()的风冷电池模块进行数值研究,在优化参数 厚度、套管长度、下游长度和相邻电芯间距后,使得电池模块温升和温差分别降低了 和。当电池以高倍率放电时,空气冷却难以保证电池散热要求,所以散热效果更加高效的液冷方式引起了研究人员的关注,实现液冷的最常见方式是运用液冷板,而影响其散热效果的主要因素则是通道形状和结构参数。等设计了多种不同结构的微型通道液冷板,通过数值分析对比发现具有锯齿形和圆形槽道的液冷板具
4、有最优的冷却性能。等提出了一种嵌入相变材料的液冷板用于电池组散热,因其结合主动和被动冷却方法使其比同体积的传统铝制液冷板轻,循环冷却剂所需的泵能耗下降,同时表现出了更佳的温度一致性。热管作为一种基于相变原理传热的高效导热器件,具有寿命长、应用灵活、小尺寸、重量轻等优点,在电子散热领域应用十分广泛。近来,有研究开始把热管运用于电池散热方面,等研究了由热管和相变材料构成的被动冷却系统。发现与没有被动冷却的系统相比,使用热管可以在 热负载下将电池温度降低 ,而若再结合相变材料(蜂蜡),则可使最大温度降低 。等提出了一种液冷板结合热管的电池散热方案,并使用 电池模块对该方案的散热性能进行验证,通过和没
5、有热管的液冷板进行对比,发现该散热方案可以使电池组的最高温度和温度一致性下降 和。然而,运用热管结合风冷对电池组进行散热的研究仍然较少,因此本文设计了一种新型热管结合风冷的散热系统,采用理论分析和数值仿真结合的方法对该散热系统的散热性能进行分析,并和没有采用热管的散热系统进行对比,以此验证该设计方案的可行性。系统的几何模型电动汽车动力电池组通常是由多个电池模块组成,而电池模块之间又具有相互独立性;因此,本文将以目前主机厂在中高端车型上倾向于采用的方形电池(具有内阻小、循环寿命长、封装可靠度高、耐受性好、成组相对简单、系统能量效率高等优势)为例,并对由十二个电池单体组成的单个电池模块进行分析探讨
6、,以符合整个电池组的散热性能规则。其单体电池的性能参数如表、表 所示。表 电池单体性能项目技术参数单位额定容量 标称电压比能量()开路电压内阻直流内阻质量充电截止电压最大持续充电电流放电截止电压最大持续放电电流混合脉冲功率放电功率 回馈功率工作温度充电:放电:外形尺寸材料体系磷酸铁锂产品分类及用途能量型 电动汽车 储能循环寿命 次表 电池各部分的热物性参数材料密度()导热系数()比热()电池单体 极耳正极 极耳负极 隔膜 壳体 图 热管散热器模组(结构图)图 为本文所探讨的电池热管散热器模组(结构图)。该电池模组由十二个电池单体并排组成,每两个电池单体之间夹有一块 厚的铝板,每块铝板两端分别嵌
7、入一根直径为 的 型热管,分布如图 所示;热管上端分别嵌入铝板垂直方向的 和 处,热管下端则嵌入散热器翅片垂直方向 和 处,散热器基板则紧贴电池底面。如此结构可增加电池热量扩散路径,即让热量可通过热管快速传至散热翅片,热管冷凝端采用分第 期付 波,段会强等:一种基于风冷系统的新型汽车动力电池散热模组设计 图 热管散热器模组结构(侧视图)层嵌入散热器结构可使热量更加均匀分布于散热翅片,从而保证散热器的温度均匀性,进而提高整个模组的散热性能。图 为一般的无热管散热器模组结构图,除热管外其余参数不变,用来对应本文所探讨的热管散热器模组(见图),并对两者进行散热性能的验证分析。图 一般散热器模组(结构
8、图)数值模型 数学模型热量传递方式包含热传导、热对流与热辐射三种。本文采用强制风冷散热方式,故忽略辐射换热且不计重力影响,将空气视为理想气体。基于以上假设,还应满足流体质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律,三大定律具体表述如下:质量守恒方程:也称连续性方程,指单位时间内微元体内流体质量的增加等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量,数学表达式如下:()()()()式中:为流体密度,单位:;为时间,单位:;、和 为流体在、三个方向上的速度分量。动量守恒方程:也称为 方程,指微元体中流体动量的增加率等于作用在微元体上各种力之和,数学表达式如下:()式中:为流体压强,单位为;、分别为在、方向上的体积力
9、分量;为流体的运动粘度,单位为 ;、分别为流体在、方向的粘性力。能量守恒方程:能量守恒定律实际上就是热力学第一定律,微元体内热力学能的增加率等于进入微元体内的净热流量加上体积力与表面力对微元体所做的功,数学表达式如下:|()式中:为流体微元内能增长速率,单位为 ;为单位体积流体产生的热速率,单位为 ;为单位体积流体产生的摩擦热,单位为 。电池加热模型动力电池在工作时,产生的热量主要由副反应热、极化热、焦耳热和反应热组成,而对于锂离子电池,通常其产生的副反应热很少,可以忽略不计,因此电池总产热量 可表示为:()式中:表示反应热,表示极化热,表示焦耳热,单位均为。反应热 表示电池在充电阶段或放电阶
10、段产生的热量,其是可逆的,它与电池反应过程中的熵变有关,该值在电池放电阶段大于零,在充电阶段小于零。反应热 的具体表达式为:()式中:代表充电或放电过程中的离子转移数,代表法拉第常数,单位为 ,其值为 ;代表电池电动势,单位为;代表开尔文温度,单位为。当电池工作时,电池电极表面发生的实际电位偏离平衡电位的现象被称为极化现象,由于电池平均端电压与开路电压的差异,压降产生的热量为极化热。极化热 的具体表达式为:()()式中:代表充电电流或放电电流,单位为;表示极化电阻、总电阻和焦耳电阻,单位为。电池焦耳电阻包括构成电芯的各种材料的内阻和材料之间的接触电阻,电池在工作时,电流经过每一个电阻时都会产生
11、焦耳热,而且产生的焦耳热是不可逆的,焦耳热在电池产生的总热量中占有很大的比例。其具体表达式为:()电 子 器 件第 卷式中:代表充电电流或放电电流,单位为;代表焦耳电阻,单位为。边界条件 网格划分对于数值模拟而言,网格划分尤为关键,网格划分的质量将直接影响仿真结果准确性。由图 显示网格独立性的验证结果,可以看出,万个单元的网格系统已达本数值模拟的最优化(最小温度变化区间)。图 网格独立性 边界条件设置本文中研究的电池标称容量为 ,电池单体被 视 为 正 交 各 向 同 性 材 料,其 导 热 系 数 为 ()、极耳正极和负极的导热系数分别为 ()和 ()(见表)。基于前面建立的电化学热模型,可
12、以计算出电池在不同放电倍率下的热功率,通过理论计算可知,该电池单体以、和 不同倍率放电时,对应的热功率分别为 、和 。文中将电池单体设为体积热源,散热器材质为铝,其导热系数为 ()。热管的相变传热过程颇为复杂,难以用数值方法模拟其相变过程,因此本文仿真时将其近似等效为一根具有高导热系数的金属材质,根据工程经验及参考文献设置其导热系数为 (),其他各材料的具体参数如表 所示。环境温度设置为,计算雷诺数判定空气流动状态为湍流,因此选择 湍流模型。表 材料参数名称材质导热系数 ()铝板散热器热管 导热硅脂 散热器的优化 优化参数分析对于风冷散热系统而言,散热器的性能直接影响整个散热系统的散热性能,因
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