電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和仿真

1、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和仿真為了更加有效地控制電動(dòng)汽車(chē)電池的工作溫度，研究了一種鋁板/相變材料 /液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)，采用CFD軟件模擬仿真。研究了鋁板厚 度、水管數(shù)量、質(zhì)量流量、導(dǎo)熱系數(shù)、相變溫度和進(jìn)水溫度等因素對(duì)電池 散熱的影響。通過(guò)對(duì)電池溫度場(chǎng)的模擬仿真，合理控制因素之間的相互影 響，將參數(shù)取值進(jìn)行優(yōu)化，使電池的最高溫度和最大溫差能夠控制在44 .19 C。和3.18C。，此溫度能夠很好地滿足電池的工作溫度，表明鋁板/相 變材料/液冷相結(jié)合的新型散熱結(jié)構(gòu)能夠較好地控制電池的溫度均勻性和有 效性。1建立模型1 . 1幾何模型電池的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋁板緊貼電池體，均勻插入圓

2、形水管的相變 材料貼在鋁板之后，并且選用導(dǎo)熱系數(shù)高、密度小的鋁來(lái)作為水管材料。 可以看出，模型具有對(duì)稱性，為了縮短模擬仿真時(shí)間，本文僅僅仿真了模 型的1/4部分。幾何尺寸和物理參數(shù)參考了研究較為成熟的電池單體，如 表1所示。為了研究濫用條件時(shí)電池的性能，電池以放電倍率5C進(jìn)行放 電，因此仿真時(shí)間為720s，并且根據(jù)現(xiàn)有學(xué)者研究成果，此放電倍率下 的電池發(fā)熱功率約為200kW/m2。為了便于研究，本文設(shè)定冷卻水是不 可壓縮的層流，并且由于輻射換熱部分的熱量相對(duì)較小，因此不考慮輻射 換熱。由于相變材料的性質(zhì)比較穩(wěn)定，忽略相變材料在融化和凝固時(shí)的各 種變化。腰型幾何尺司段CSJ（祺歐參般名曲KI13

3、4甫儺竟度此5TO甫池堪厘度由“516龜閥的瑁度如月計(jì)如）SB fi宅陡的tt然容* MH 用1 IU6電誠(chéng)辱嚀至裁 W勺的）3一摩m.is相宣牯料的擘州相亶總蛔1比恐S.心&m2 inoIWUOIOOI輯婚0tp*K岫如勺I 7N茁的朋&A-GW4m-1tn3U3.J朗ww川片等MI習(xí)南*施珪勞2結(jié)果分析2.1鋁板厚度和水管數(shù)量的影響1）鋁板厚度的影響研究鋁板厚度dAl的影響時(shí)，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù) kPCM、冷卻水的質(zhì)量流量qx103 kg/s、進(jìn)水溫度TW以及相變溫度 TPCM等參數(shù)設(shè)置如表2所示。圖2為不同鋁板厚度時(shí)電池的溫度分布 情況。鋁板厚度增厚時(shí)，電池的最高溫度 和最大溫差都逐漸降

4、低，并且最 大溫差可以控制在2C以內(nèi)?？梢钥闯?，加入鋁板后的新型模型，有利于 控制電池的溫度有效性和均勻性，并且散熱過(guò)程更加穩(wěn)定。為了工藝的簡(jiǎn) 便和節(jié)約材料，選取0.4mm鋁板厚度為較優(yōu)值。*2不同鋁板廈度時(shí)的參數(shù)設(shè)置密W踞(貳*皤危此5值 0.2.04.610.80,22) 水管量的影響研究水管數(shù)量n時(shí)，參數(shù)的選擇見(jiàn)表3。圖3是2) 水管不同時(shí)電池的溫度分布情況。當(dāng)n增加時(shí)，電池的最高溫度 逐漸降低， 最大溫差卻逐漸增大。當(dāng)水管數(shù)量分別是2、4、6、8時(shí)，電池的最大 溫差同樣能控制在3C以下。可以看出，水管的加入，在不破壞電池溫度 均勻性的前提下，還能合理地控制電池的最高溫度。為了得到理想的

5、溫 度，同時(shí)減少熱管理系統(tǒng)的負(fù)載，選取4根水管為較優(yōu)值。I002(0 WO 400 SOO 6007(K/ma或？IQD 2W JOO 400 500 &(n ?w frtM/i卜 LL ，： ： A : C4JQJ8#.4_JO lljioooo-圖2不同r反魚(yú)安禎盍弄露件妲祈：2.2冷卻水的質(zhì)量流量和相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)的影響表4是分析導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量流量對(duì)電池溫度影響時(shí)的參數(shù)選擇情況，電池 的溫度分布情況如圖4所示。同等變量 時(shí)，電池的最高溫度隨著導(dǎo)熱系 數(shù)的增大而降低，隨著質(zhì)量流量的增大而降低。當(dāng)相變材料的導(dǎo)熱增大 時(shí)，熱量的傳遞越快，冷卻水的冷卻能力隨質(zhì)量流量的增大而增強(qiáng)。因 此，為了得

6、到較為均勻的溫度分布，應(yīng)該合理地控制導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量流 量。所以，導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量流量相互制約，當(dāng)匹配最好時(shí)，可以有效地降低電池的最大溫差，并且考慮到制作高導(dǎo)熱的相變材料工藝復(fù)雜性和降低 負(fù)載，導(dǎo)熱系數(shù)選擇0.6 ( W/( m-K),質(zhì)量流量選擇0 . 000 5( kg/s) 為較為合理。2.3冷卻水的進(jìn)水溫度和相變材料的相變 溫度的影響表5是分析冷卻水的進(jìn)水溫度和相變材料相變溫度的參數(shù)選擇情況，電池 的溫度分布情況如圖5所示。同等變量時(shí)，當(dāng)進(jìn)水溫度增大時(shí)，電池的 最高溫度增大。若相 變溫度過(guò)高，相變材料不能充分地融化，也就不能得 到較高的利用率。當(dāng)進(jìn)水溫度過(guò)高時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)快速冷卻，不利于電池

7、最 大溫差的控制。當(dāng)相變溫度為40C，進(jìn)水溫度為18C時(shí)，電池的最高溫 度可以控制在45C以下，最 大溫差在3左右，都能很好地滿足電池的 最佳工作溫度，同時(shí)相變材料也能得到較為合理的利用3對(duì)比與驗(yàn)證本文提出了鋁板/相變材料/液冷的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，為了驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)的優(yōu) 勢(shì)，分析了在相同工況下，鋁板/液冷和相變材料/液冷散熱結(jié)構(gòu)的溫度分 布。為了保證一致性，3種結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表6。圖6是模擬常溫環(huán)境、5C高倍率放電情況下，電池的 最高溫度和最大 溫差的溫度曲線。從曲線圖可以看出，如 果只有鋁/液體冷卻相結(jié)合，由 于鋁的導(dǎo)熱良好，使電池的最高溫度能夠得到較好控制。但是由于導(dǎo)熱太 快，散熱不均勻，會(huì)影

8、響電池的最大溫差。當(dāng)只有相變材料/液冷相結(jié)合 的熱管理時(shí)，相變材料由于其良好的潛熱，使電池的 最大溫差得到控制， 但是由于相變材料的導(dǎo)熱不好，電池 不能及時(shí)散熱，使電池的最高溫度不 能得到較好控制。所以，鋁板/相變材料/液冷散熱結(jié)構(gòu)在控制電池的最高 溫度和最大溫差方面都有良好的效果，控制最高溫度為44.19 ，最大 溫差為3.18C。表S不同相變溫度和進(jìn)水溫度時(shí)的參數(shù)設(shè)置參數(shù)&心/(W/(ni- L)go(kM)丁心匹rvH：35值40,6。.540I6J9S.IIS45z iI。憎X進(jìn)末亂莊TC囹5木同相變溫KgTTTTn iuWO dM w oOO tooFJ n iuWO dM w oO

9、O tooFJ 加嘩HX倒6不同瞄函薜蒲*戮落才表6 3種話構(gòu)的參數(shù)設(shè)置4結(jié)語(yǔ)結(jié)合鋁材料良好的導(dǎo)熱性、相變材料和液體冷卻可以產(chǎn)生均勻的溫度分 布，設(shè)計(jì)了一個(gè)鋁板/相變材料/液冷相結(jié)合的散熱結(jié)構(gòu)，并且討論了不同 影響因素對(duì)電池組的最 高溫度、最大溫差和PCM液體體積分?jǐn)?shù)的影響。 具體的結(jié)論如下：1）散熱結(jié)構(gòu)中，加入鋁板后，電池的最高溫度和最大溫 差都隨著鋁板厚度的增加而降低，表明此結(jié)構(gòu)能夠控制 電池溫度的有效性 和均勻性。當(dāng)水管數(shù)量增加時(shí)，電池的 最高溫度慢慢降低，溫差由于散熱 過(guò)快而升高，因此選取4根水管為較優(yōu)值。2)電池的溫度會(huì)受到導(dǎo)熱系 數(shù)和質(zhì)量流量的影響，隨著質(zhì)量流量的增加，最高溫度不斷降低。而為了 同時(shí)控制最大溫差，需要使得導(dǎo)熱和散熱的速度同步，因此，最優(yōu)的導(dǎo)熱 系數(shù)和質(zhì)量流量分別是0.6W/