0 引言
多轴重载车辆具有强大的运输能力,且具有较高的隐蔽性,在国民经济发展与国防建设方面发挥重要作用。由于多轴车辆载重大,轴距长,所需能量供给量大,能源供应或将成为影响其发展的关键因素[1]。目前各新型特种车辆普遍采用油电混动的动力系统,即燃料(汽油,柴油)和电能的混合,以电动马达作为发动机的辅助动力,并携带动力电池用于储存能量。该动力系统可以改善特种车的燃油经济性和动力性[2],并且节省特种车空间和重量,同时可给车载电气设备供电[3],为完成特种任务提供电力支持[4]。对于目前主流的混动车辆以及正在发展的纯电车辆,高性能动力电池十分重要。高性能动力电池不仅决定了车辆的动力性能、行驶里程,同时还影响车辆的重量和体积,更重要的是电池的安全性能直接影响到车辆的安全。目前,动力电池多采用锂离子电池,锂离子电池的性能、寿命、安全性均与电池的温度以及温差密切相关。因此,电池的温度控制对于动力电池的性能与安全来说十分的重要。
动力电池系统的冷却方式主要可分为自然冷却、风冷、液冷、直冷四类[5]。在这些冷却方式中,液冷效率高,温度一致性好,是目前研究的重点。Yang等[6]从人体血管结构中汲取灵感,提出了一种新型仿生血管流道液冷板,并为优化电池冷却系统的性能和评估可靠性提供了理论基础。Akbarzadeh等[7]设计了一种由混合冷却板被动散热和液冷管主动散热构成的复合液冷散热结构,获得了更轻、更节能、更高效结果。刘欢欢等[8]设计了一种新型仿生树状通道液冷版,并使用正交实验设计方法确定最佳的参数组合。陈雅等[9]设计了新型二次流蛇形通道液冷板,并与传统蛇形液冷板对比研究了液冷板各个参数对散热的影响。刘显茜等[10]设计了一款蜘蛛网流道冷板,采用数值方法对其散热进行了计算。比较了蜘蛛网流道冷板冷却液对向流与同向流锂离子电池的散热情况,分析了冷却液流量以及冷板道夹角、槽深、壁厚对电池散热的影响。结果表明:与冷却液同向流电池相比,冷却液对向流电池最高温度、温差都降低,电池温度分布更加均匀。Zhang等[11]设计了一种双层增强型液冷板,结果表明,系统的垂直方向会显著影响电池模块的峰值温度和温度变化,且双层增强型液冷板的性能优于传统设计。Khoshvaght-aliabadi等[12]发现相比于通道型液冷板,采用翅片的形式会带来更好效果。Yang等[13]通过对三角形、正方形、五边形、六边形、圆形5种不同形状的翅片的研究,得出圆形翅片的流动阻力最小。赵浩东等[14]设计了仿生四叶草型翅片液冷板,并对翅片的结构以及翅片的排列进行分析。
文中在前人工作的基础上,设计了适用于多轴重载车辆的电池模组,并加入导流孔、挡流板以及圆形翅片对液冷板的散热性能及安全性进行改进,使用计算流体力学方法对电池模组散热进行仿真模拟,并进行了冷却液流量的研究,以期对解决特种车动力电池的散热问题有所帮助。
1 理论模型
1.1 锂电池生热特性
Q=-IT +I(E-V)
式中:I为锂电池充放电电流;T为锂电池温度;E为锂电池的开路电压;V为锂电池工作电压;(E-V)为开路电动势与工作电压之差,电池内阻是其产生的原因。故可用电流与内阻的乘积替代,即:
Q=RI2-
由于TdE/dT完全受电池的内部化学反应影响,对于已经选定的电池,其数值是确定的。
电池平均生热功率Q及单位体积平均生热功率q可表示为:
q=
1.2 计算流体力学基本控制方程
文中所研究的冷却液为黏性不可压缩流体,且冷却液流速较低,则有以下3个计算流体力学基本方程。
质量守恒方程:
$\nabla \cdot u=0$
动量守恒方程:
$\rho \frac{\mathrm{d} \boldsymbol{u}}{\mathrm{~d} t}=\rho F-\nabla_{p}+\mu \nabla^{2} \boldsymbol{u}$
能量守恒方程:
$\rho \frac{\mathrm{d} h}{\mathrm{~d} t}=\frac{\mathrm{d} p}{\mathrm{~d} t}+\Phi+\boldsymbol{\nabla} \cdot(k \boldsymbol{\nabla} T)$
式中:u为冷却液速度矢量;F为体积力项;ρ为密度;p为压强;T为热力学温度;μ为动力黏性系数;h为单位质量流体的焓;Φ为耗散系数;k为导热系数。
2 电池模组及计算流体力学模型
2.1 电池单体的选取
对于所研究的多轴重载特种车,考虑其需要较大的电池容量以满足动力需要,为减小电池组的体积,选用能量密度较高且具备电压平台高,性能稳定,高安全性的三元锂电池作为电池单体[28]。
表1 电池单体参数Table 1 Parameters of the battery cell |
| Parameter | Value |
|---|---|
| Capacity/(A·h)(@1/3 C) | 180 |
| Voltage/V | 3.67 |
| Dimensions/mm | 148×79×103 |
| Weight/kg | 2.695 |
| Density/(kg/m3) | 2 223 |
| Resistance/mΩ | ≤0.5 |
| Specific heat capacity/(J/(kg·K)) | 1 140 |
| Thermal conductivity/(W/(m·K)) | 1×12×10 |
该电池单体在25 ℃下以1 C倍率放电的发热功率为26.805 W,单位体积发热功率为21 980 W/m3,由此以及式(2)~式(4)可得电池在25 ℃以0.5 C放电的发热功率为11.712 W,单位体积发热功率为9 726 W/m3;1.4 C峰值放电的发热功率为52.445 W,单位体积发热功率为43 004 W/m3。下面将以电池在25 ℃下以1.4 C峰值放电的工况研究电池的排布以及散热方式。
设计液冷板时,采用如表2所示的50%乙二醇溶液作为冷却液,该冷却液常被用作汽车防冻液以及冷却液,具有较低的汽化温度和较高的吸热能力,传热能力较好。此外,该冷却液无毒、无味、无刺激性,且具有环境友好性以及可再生性。
表2 冷却液参数Table 2 Coolant parameters |
| Parameter | Value |
|---|---|
| Density/(kg/m3) | 1 073.35 |
| Specific heat capacity/(J/(kg·K)) | 3 281 |
| Thermal conductivity/(W/(m·K)) | 0.38 |
| Viscosity/(Pa·s) | 0.003 39 |
2.2 电池模组的建立
为简化计算,对电池模组结构进行简化。电池单体均简化为体积热源,忽略正负极结构以及电池模组内部排线等电气结构。除此之外,为保证各个电池模组之间相互独立,互不影响,需要设计电池模组外部的隔热结构并设计多个电池模组之间的排列。
2.3 网格无关性验证
使用Fluent Mesh 2022R1软件对电池模组进行网格划分得到非结构性网格,在保证计算精度足够的前提下尽量减少网格数量,在液冷板以及冷却液流体域这些重点关注的部位进行过网格加密,在电池单体、侧面铝板以及隔热材料等位置网格较为稀疏。由此,对交叉横向液冷板反向放置组成的电池模组的初始模型,设置了121万、186万、266万、313万和454万5种网格模型来验证网格无关性,以电池模组中电池的平均温度和最大单体间温差作为评估指标验证网格无关性,结果如图2所示。
由此可见,网格数量在100万~250万的结果误差较大,在250万~450万相差较小,为节省计算资源,采用网格数量为266万的网格进行计算。对于液冷板、侧面铝板、隔热材料以及电池单体使用软件默认参数进行网格划分,对于液冷板内部流体域添加局部尺寸1.85 mm进行网格划分,最后添加三层边界网格。最终的网格数量根据模型不同,在220万~260万,网格划分如图3所示。
3 设计并优化液冷板
表3 分流结构宽度Table 3 Shunt structure widthmm |
| Structure | Shunt structure number | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Deflector hole | 8 | 15 | 15 | 10 | 10 | 6 |
| Main baffle | 1.6 | 3.6 | 5.6 | 4.8 | 6 | — |
| Split baffle | 1.6 | — | — | 3 | 4.6 | 5 |
散热空腔中加入圆形翅片用于改善初始模型中冷却液靠侧壁流动不均的情况并增加流固接触促进散热,设置圆形翅片的直径为d,x,y方向间距为Sx,Sy,研究翅片的尺寸及排列疏密对散热的影响,进行稳态仿真分析,取收敛的结果,获得电池的平均温度Tavg、电池单体间最大温差Tdiff以及出入口压降ΔP数据。仿真结果如表4所示。
表4 仿真组别及结果Table 4 Simulation groups and results |
| d/mm | Sx/mm | Sy/mm | Tavg/℃ | Tdiff/℃ | ΔP/Pa |
|---|---|---|---|---|---|
| — | — | — | 35.56 | 2.6 | 2 317 |
| 20 | 25 | 22 | 34.24 | 2.96 | 3 224 |
| 15 | 25 | 22 | 34.13 | 1.45 | 3 287 |
| 10 | 15 | 13.5 | 33.80 | 3.20 | 3 217 |
| 8 | 11 | 12.5 | 33.19 | 3.07 | 3 131 |
| 8 | 15 | 15 | 33.90 | 2.88 | 3 213 |
采取上下液冷板的排布,上下液冷板围与z轴夹角为180°,入口在异侧,上下液冷板的布置如图6所示。上下液冷板的入口流速设置均为1 m/s(流量41.3 g/s),出口设置为压力出口,冷却液温度为25 ℃,电池以1.4 C峰值功率放电,入口流速为1 m/s,计算得雷诺数为2 208,湍流模型选取层流,对于雷诺数大于6 000的工况,为关注壁面上的传热细节采用SST k-ω模型计算。
为均衡加工制造难度以及电池温度和流动阻力,下面研究及数据采用翅片直径15 mm间距为25 mm(Sx)、22 mm(Sy)的液冷板。
由表4可知,随翅片尺寸减小、排列密集,电池的平均温度降低,同时出入口压降变化不大,但单体间最大温差变化无规律。此外,随着翅片尺寸和间距的降低,液冷板的结构复杂化,使其制造难度增加。因此,若需要降低电池温度获得最佳散热效果,应缩小翅片尺寸及间距,但同时会增加制造难度。
研究电池模组在常温(25 ℃)下冷却液流量对散热的影响,具有普适性,适用于全国大多数地区。在25 ℃环境中,无风或少风,将电池模组表面空气对流换热系数设置为2 W/(m2·K),电池以1.4 C峰值放电,进行以下冷却液流量的研究:4.13 g/s(流速0.1 m/s)、6.2 g/s(流速0.15 m/s)、8.26 g/s(流速0.2 m/s)、16.52 g/s(流速0.4 m/s)、33.04 g/s(流速0.8 m/s)、41.3 g/s(流速1 m/s)。结果如图12所示。
电池单体间最大温差均低于3 ℃,电池一致性满足要求,且随着冷却液流量的增加,最大温差不断减小。当冷却液流量较低时,液冷板起到的散热效果有限,电池温度高于50 ℃,电池的性能及容量受到一定程度的损害。冷却液流量较高时,电池温度处于适宜工作温度,但出入口压降上升明显,冷却系统工作载荷较大。为均衡散热效果以及冷却系统载荷,可设置冷却液流量为16~25 g/s,在不引起较大流动阻力的情况下获得较好的散热性能。
为探究设计的电池模组在高温天气的温度表现,将环境温度及冷却液初始温度设置为40 ℃,考虑到高温天气往往无风,将电池模组表面空气对流换热系数设置为2 W/(m2·K),电池以1.4 C峰值放电,进行以下冷却液流量的研究:8.26 g/s(流速0.2 m/s)、16.52 g/s(流速0.4 m/s)、41.3 g/s(流速1 m/s)、123.9 g/s(流速3 m/s)、206.5 g/s(流速5 m/s)。结果如图13所示。
可见电池模组在高温环境中的温度较高,在冷却液流量较低时,电池模组的平均温度高于50 ℃,对电池的性能与安全十分不利。随着冷却液流量增加至206.5 g/s,电池模组平均温度降至45.62 ℃,但此时出入口压降增大约20倍,冷却系统工作负载过大。由于冷却液流量较大,出入口压降随冷却液流量的增加而显著增加,为均衡散热效果以及冷却系统载荷,可设置冷却液流量为30~50 g/s,使电池模组温度低于50 ℃,同时最小程度地引起流动阻力的增加。
4 结论
电池单体的排布及散热方式对于当前放电倍率越来越大、产热率倍增的车载动力电池至关重要,电池的温度极大地影响电池的性能容量乃至安全性。文中以多轴重载车辆的动力电池模组为研究对象,通过研究电池的排布及散热方式,以控制动力电池温度在适宜范围内为目标,并考虑实际工况如常温、以及高温环境。
1)建立了适用于多轴重载车辆的动力电池模组,设计了一种用于散热的液冷板结构,并设计了分流结构和圆形翅片对其优化,探究了翅片参数的影响。
2)在室温25 ℃、电池以1.4 C放电、冷却液流速相同情况下,优化后的电池模组的平均温度下降1.43 ℃,电池单体间最大温差降低1.14 ℃,冷却液流动状态改善,电池温度分布更均匀,优化效果较好。翅片尺寸缩小、间距减小可增加液冷板散热效果,同时不引起流动阻力增加,但会导致结构复杂,制造难度增加。
3)设计的液冷板在25 ℃环境中适宜的冷却液流量范围为16~25 g/s,在40 ℃环境中适宜的冷却液流量范围为30~50 g/s,该电池模组具有较好的散热性能,且具备高温工作的能力。
为了减少计算量,对电池模组内结构进行了简化,忽略了电池正负极、电线排线以及接触等结构,计算与实际情况存在一定误差。所设计的液冷板结构散热效果较好,温度分布均匀,后续可将该结构运用到芯片散热等更小的尺度上,进行跨尺度研究。