動(dòng)力電池包熱管理設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

熱設(shè)計(jì) 2022-04-15

1引言

隨著新能源汽車(chē)的行業(yè)的發(fā)展,動(dòng)力電池包的熱失控問(wèn)題成為其發(fā)展的障礙;復(fù)雜的工況和高溫會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)溫度迅速升高,影響電池的反應(yīng)性能和循環(huán)壽命,甚至影響熱安全?目前采用水冷板式液流換熱結(jié)構(gòu),PCM相變散熱結(jié)構(gòu)基本上能夠滿足電池高溫冷卻的需要;但是難以保證電池系統(tǒng)溫差波動(dòng)范圍在5℃以內(nèi);目前熱管理的側(cè)重在于如何控制系統(tǒng)的溫差?

電池包熱管理主要分為:低溫加熱和高溫散熱;當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí),必須對(duì)電池包采取加熱才能進(jìn)行充電,運(yùn)行時(shí),由于電芯發(fā)熱,必須對(duì)電池包進(jìn)行水冷散熱?電池包不僅要保證溫度合適,而且必須保證電池包內(nèi)部電芯間的溫差合適?才能保證新能源汽車(chē)的續(xù)航里程和電芯的使用壽命,以及汽車(chē)的安全性?

為保證電池包在工作時(shí)溫度處在合適的范圍,并且電芯間溫差也能在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)?本文采用Ansys-fluent對(duì)目前流行的液體循環(huán)冷暖一體化熱控方式(運(yùn)用流體回路進(jìn)行液冷液熱)的某款電池包液冷回路進(jìn)行壓降分析,根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化液冷流道設(shè)計(jì),在滿足散熱和加熱情況下,改善散熱和加熱時(shí)系統(tǒng)的溫度均勻性,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性?本文汽車(chē)電池包加熱溫差控制范圍在10℃以內(nèi);散熱時(shí)溫差范圍控制在5℃以內(nèi)?

2仿真模型以及邊界條件

流場(chǎng)分析模型為流道以及水室的內(nèi)部空間,冷卻液為50%的乙二醇水溶液,粘度為3.39mPa·s(常溫);網(wǎng)格為多面體網(wǎng)格?

3仿真輸入

在高溫45℃的環(huán)境溫度,1C充放電條件下進(jìn)行液冷測(cè)試,在低溫-20℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行液熱測(cè)試;水冷管入口流量均為15L/min,入口水溫均為20℃;冷卻液為乙二醇水溶液(乙二醇占50%)?測(cè)試設(shè)備為新水冷測(cè)試平臺(tái),星云充放電設(shè)備?

4仿真輸出

在入口流量為15L/min,出口設(shè)置為0Pa的條件下,通過(guò)fluent對(duì)系統(tǒng)的流道進(jìn)行壓降分析,得到圖2所示的流道壓降圖?

根據(jù)初始的壓降分析結(jié)果可知:尾部雙層口琴管處壓降相較于前面單層水冷板的壓降小,容易導(dǎo)致加熱和散熱不均勻,可將尾部三通接口與雙層水冷管水室連接處的管徑減小,從而使各并聯(lián)回路中壓降平衡?優(yōu)化后的壓降分析結(jié)果,如圖3所示:

優(yōu)化后的各并聯(lián)回路的壓降較之前更加均勻,流阻稍有偏大?

5實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)仿真分析后,將優(yōu)化前?后兩種箱體放入水冷測(cè)試平臺(tái)溫箱中,利用星云充放電設(shè)備進(jìn)行高溫水冷工況以及低溫加熱工況的測(cè)試;優(yōu)化前后的箱體僅僅是水管不同,只需要更換水管即可,進(jìn)行兩種箱體的測(cè)試?測(cè)試實(shí)際圖片,如圖4所示:

5.1高溫冷卻工況結(jié)果

在環(huán)境溫度為40℃的溫箱中,設(shè)置水冷管入口流量為15L/min,入口溫度為20℃,1C放電工況下;測(cè)試得到優(yōu)化前后的系統(tǒng)隨溫度變化曲線圖,溫差曲線如下圖5?圖6所示:優(yōu)化前電池包整體的溫度隨時(shí)間降,可知水冷效果滿足要求;放電結(jié)束時(shí)刻最高溫度35.1℃,最大溫差4.7℃,滿足熱設(shè)計(jì)要求?優(yōu)化后電池包整體的溫度隨時(shí)間降,可知水冷效果滿足要求;實(shí)驗(yàn)結(jié)束最高溫度35.9℃?最大溫差3.2℃,滿足熱管理要求,溫差相對(duì)于優(yōu)化前降低1.5℃?

可知優(yōu)化后系統(tǒng)散熱更加均勻,有利于控制系統(tǒng)溫差,保證電芯使用壽命?

5.2低溫加熱工況結(jié)果

在環(huán)境溫度為-20℃的溫箱中,水冷管入口流量為15L/min,入口溫度為20℃,1C放電工況下;測(cè)試得到優(yōu)化前后的系統(tǒng)隨溫度變化曲線溫差曲線圖,如圖7?圖8所示:

優(yōu)化前電池包整體,從-20℃升溫至5℃,用時(shí)47min,整個(gè)過(guò)程加熱過(guò)程最大溫差為9.1℃,滿足熱管理要求;優(yōu)化后電池包整體,從-20℃升溫至5℃,用時(shí)36min;整個(gè)加熱過(guò)程最大溫差為5.4℃,比A樣降低3.7℃,熱管理性能進(jìn)一步得到改善?