基于CFD仿真的分流翅片液冷板傳熱特性研究

熱設(shè)計(jì) 2022-05-11

作為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υ?/span>,鋰離子電池的化學(xué)過程將產(chǎn)生大量的熱,必須對(duì)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行管理,防止溫度過高導(dǎo)致電池性能衰減?一個(gè)好的熱管理系統(tǒng)必須能夠在不過度限制電池性能的情況下,將電池溫度保持在一個(gè)合適范圍內(nèi)?

Dang?T和Teng?JT發(fā)現(xiàn)微型通道傳熱器的傳熱率高于微通道的傳熱率,壓降也高于微通道的壓降?Zhang?YP等人提出了一種適用于高熱流密度和高散熱要求的電子器件冷卻的新型冷板,可使電芯最大溫度比傳統(tǒng)冷板降低約40%?南爵將相變材料石蠟應(yīng)用于電池模組的熱管理系統(tǒng),結(jié)果表明,石蠟發(fā)生相變對(duì)于溫度上升有明顯的抑制作用?梁波等采用了一種往復(fù)流冷卻方式,使冷卻空氣流動(dòng)方向周期性改變,以降低單體電池沿空氣流方向的溫度梯度?

本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真方法,對(duì)具有分流翅片液冷板的方殼鋰電芯模組進(jìn)行不同放電倍率下的動(dòng)力電池模組溫度分布和液冷板內(nèi)部傳熱特性分析?

1數(shù)學(xué)模型

2仿真模型

2.1三維模型搭建

單個(gè)動(dòng)力電池模組內(nèi)含有12支38?A·h三元鋰離子電芯?距離冷卻液入口最近的電芯編為1號(hào),距離最遠(yuǎn)的電芯編為12號(hào),依次編號(hào)?三維模型網(wǎng)格尺寸2?mm,最終生成網(wǎng)格數(shù)為614?874個(gè)?動(dòng)力電池模組以及液冷板網(wǎng)格如圖1和圖2所示?

2.2邊界條件設(shè)定

三維仿真計(jì)算的邊界條件與不同放電工況設(shè)置分別見表1和表2?

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1動(dòng)力電池模組仿真結(jié)果分析

針對(duì)具有12個(gè)三元鋰離子電芯的動(dòng)力電池模組,建立了三維模型,并對(duì)模組在1C?2C和3C的放電倍率下,仿真研究動(dòng)力電池模組的溫度分布情況,結(jié)果如圖3和圖4所示?

1C?2C?3C的放電倍率下,每個(gè)電芯的產(chǎn)熱功率分別為3.05?W?10.93?W?21.86?W,初始溫度為25?℃?由圖3可以看出,在1C?2C?3C放電倍率下放電結(jié)束后,模組最高溫度分別為29.36?℃?35.38?℃?42.33?℃,較初始值分別升高了4.36?℃?10.38?℃?17.33?℃?同時(shí)模組最低溫度分別為27.31?℃?28.43?℃?29.79?℃,整個(gè)模組的最大溫差分別為2.05?℃?6.95?℃?12.54?℃?模組縱向的導(dǎo)熱速度小于冷卻液的傳熱速度,導(dǎo)致模組頂部的熱量未及時(shí)被冷卻液帶走,因此模組頂部溫度高于底部溫度?由圖4可知,1C?2C和3C的放電倍率下,不同電芯的平均溫度不同,靠近冷卻液入口的電芯平均溫度要低于遠(yuǎn)端的電芯平均溫度,且10號(hào)電芯的平均溫度最高,1號(hào)電芯的平均溫度最低,兩者分別相差0.09?℃?0.29?℃?0.45?℃?由于11號(hào)?12號(hào)電芯靠近側(cè)面端板,而端板具有一定的吸熱作用,因此10號(hào)?11號(hào)?12號(hào)電芯的平均溫度依次降低?相較于1C和2C,在3C放電倍率下,模組?電芯平均溫度的最大溫差均變大?

3.2液冷板仿真結(jié)果分析

液冷板內(nèi)部流場(chǎng)的壓力分布和溫度分布如圖5和圖6所示?由圖5可知,冷卻液入口附近流體壓力較高,最大為102.11?kPa,冷卻液出口附近壓力分布較為均勻,液冷板最大壓差約為0.96?kPa,約為最大壓力的0.94%?

由圖6可知,冷卻液溫度由入口到出口處逐漸升高,在10號(hào)電芯位置附近溫度達(dá)到最高,傳熱效率下降,此處附近電芯溫度較高?這符合上文得出的電芯平均溫度分布結(jié)果?在分流翅片之間,冷卻液溫度達(dá)到局部最大,說明分流翅片加強(qiáng)了冷卻液的局部流動(dòng),進(jìn)而提高了冷卻液與電芯的傳熱效率?

4結(jié)束語

隨著用戶對(duì)電動(dòng)汽車性能和安全要求的不斷提高,動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)技術(shù)也隨之快速發(fā)展,需保證電池在合適溫度下運(yùn)行,防止電池出現(xiàn)熱失控?具有分流翅片的液冷板可提高冷卻液與電芯的傳熱效率,進(jìn)而強(qiáng)化動(dòng)力電池模組的散熱效果,提高動(dòng)力電池運(yùn)行的安全性?