汪鵬偉
摘要:本文針對18650鋰離子電池建立了基于多風(fēng)口的電池模塊,并結(jié)合計算流體動力學(xué)(CFD)方法對模塊結(jié)構(gòu)進行了一系列優(yōu)化。一方面探討了進出口數(shù)量的變化對電池模塊冷卻性能的影響,與此同時也討論了進出口的位置與尺寸的影響。結(jié)果表明,左右兩側(cè)進風(fēng)底部兩角落出風(fēng)的進出口布局明顯優(yōu)于其它布局方式,且與基礎(chǔ)模型相比最高溫度降低8.250℃(17.9%),最大溫差減小3.943℃(37.8%)。此優(yōu)化后的模塊結(jié)構(gòu)可為強制風(fēng)冷策略下的電池熱管理系統(tǒng)提供有效參考。
關(guān)鍵詞:電池熱管理;CFD;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;多風(fēng)口
中圖分類號:TM912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-957X(2021)01-0197-02
0? 引言
近年來,全球?qū)茉吹拇罅肯囊l(fā)了一系列諸如環(huán)境惡化、資源短缺等問題,而這些問題的出現(xiàn)為電動汽車的發(fā)展提供巨大動力。鋰離子電池作為綜合性能最佳的動力電池,因具有能量密度高、比功率大[1]等優(yōu)點而適用于電動汽車。但其性能受制于工作溫度,鋰電池的理想工作溫度為20~40℃[2],且溫差不宜過大,因此設(shè)計合理的電池熱管理系統(tǒng)(BTMS)至關(guān)重要。目前,常見的熱管理系統(tǒng)包括空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻以及多種方式組合冷卻。在多種熱管理方式中,空氣冷卻因具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、易于維護[3]等優(yōu)點而被廣泛研究。Wang等人[4]討論了強制風(fēng)冷下不同電池排列方式與風(fēng)口位置對模塊冷卻性能的影響,結(jié)果表明,頂進底回的風(fēng)口設(shè)計冷卻效果最好,且當著重考慮冷卻性能時,5×5立方結(jié)構(gòu)的效果最佳;當著重考慮空間利用率時,19節(jié)電池的六邊形結(jié)構(gòu)效果最佳。Jilte等人[5]提出了一種空氣與相變材料復(fù)合的冷卻方式,將電池組分成多個模塊,并對各個模塊單獨進行溫度控制,發(fā)現(xiàn)在不同放電倍率和環(huán)境溫度下,空氣冷卻可將電池組的溫升控制在5℃以內(nèi),相變材料冷卻可將電池組的溫升控制在0.12℃以內(nèi)。Chen等人[6]結(jié)合牛頓法和流阻網(wǎng)格模型優(yōu)化了并聯(lián)風(fēng)冷電池熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),結(jié)果顯示當固定入口風(fēng)量和電池發(fā)熱量時,優(yōu)化后電池組的最大溫差可減小45%;當固定電池組功耗和電池發(fā)熱量時,優(yōu)化后電池組的最大溫差可減小41%。本文可在功耗變化較小的情況下通過增設(shè)多風(fēng)口來優(yōu)化模塊結(jié)構(gòu)。既保證了相對簡單的結(jié)構(gòu),又可顯著提升冷卻性能。
1? 數(shù)值模擬
1.1 CFD建模
本文所采用的帶有強制空氣冷卻的電池模塊由內(nèi)部電池組及外部箱體組成,內(nèi)部電池組由25節(jié)18650鋰離子電池矩形排列而成,箱體表面開設(shè)有隨模塊布局改變而改變的進出風(fēng)口,且風(fēng)口布局遵循對稱設(shè)計及合理分配風(fēng)量的原則,故優(yōu)選進(出)風(fēng)口數(shù)量為1或2。當進(出)風(fēng)口數(shù)量為1時,進(出)風(fēng)口半徑設(shè)定為20mm;當進(出)風(fēng)口數(shù)量為2時,進(出)風(fēng)口半徑設(shè)定為14mm。電池模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為便于數(shù)值計算,本文基于CFD方法假設(shè)了一個特定的模擬分析環(huán)境:①環(huán)境溫度與模型初始溫度均設(shè)定為25℃;②電池材料采用18650鋰電池,且將內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋰電池簡化為電池集總模型;③電池放電過程中產(chǎn)熱穩(wěn)定,基于穩(wěn)態(tài)模擬,采用標準的k-ε湍流模型在FLUENT中進行數(shù)值求解;④進風(fēng)口為速度入口,出風(fēng)口為壓力出口;⑤電池模塊總進風(fēng)量固定為2.8903E-3m3/s,且當進風(fēng)口為多個時,各進風(fēng)口等分風(fēng)量;⑥根據(jù)進風(fēng)口的數(shù)量變化,雷諾數(shù)Re取值為2994.86~5989.72,故壁面函數(shù)設(shè)置為增強型壁面。模擬參數(shù)如表1所示。
1.2 電池模塊控制方程
放電過程中,電池模塊的控制方程可表示為式(1)~式(3)[4]。
連續(xù)性方程:
動量守恒方程:
能量守恒方程:
2? 結(jié)果與討論
2.1 電池模塊設(shè)計的相關(guān)說明
本文使用的熱特性評價指標包括:電池組的最高溫度Tmax、各單體電池間的最大溫差ΔT、平均溫度T以及溫度的標準偏差Tdev。其中,Tmax不應(yīng)超過40℃,且Tmax和T越低,電池組冷卻性能越好;ΔT和Tdev表示電池組的溫均性,Tdev的計算公式可表示為:
因進出口數(shù)量及位置的變化較多,針對進出口做如下設(shè)計:進(出)口數(shù)量優(yōu)選為1或2,即1進1回、2進2回。將箱體各面和進出口位置簡化為如圖2所示的代號。其中箱體各面表示為A~F,進出口的圓心位置表示為a、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4,a位于殼面的中心位置,b位于中軸線上,c處于四角位置,且位于b、c處的風(fēng)口的邊緣和箱體邊緣留有1mm間隙。
2.2 不同風(fēng)口數(shù)量與位置的模塊布局
在電池恒定放電過程中,因電池內(nèi)部自熱及電池間互熱,導(dǎo)致電池溫度不斷升高,直至放電結(jié)束時達到最高,且此工作環(huán)境下的鋰電池常突破20~40℃的最佳溫度范圍,因此本文采用強制風(fēng)冷的方式試圖將其控制在最佳溫度范圍內(nèi)。為研究多進出口的冷卻效果,本文首先進行了單進出口的模擬,并以1進1回-底部進風(fēng)頂部出風(fēng)的工況為基礎(chǔ)模型。如表2為1進1回布局的熱特性,其中布局(頂中間進底中間回)的冷卻性能明顯優(yōu)于基礎(chǔ)模型,其溫度分布如圖3所示。由圖3可知,由于冷卻氣流較窄,四角位置的電池溫度相對中部更高,這導(dǎo)致電池組的超過40℃,故還需在后續(xù)模擬中優(yōu)化模塊布局。
表3為2進2回布局的熱特性,僅布局(左右側(cè)右上角進底部下邊兩角回)的Tmax在0~40℃內(nèi),其進口附近的電池溫度較低,出口附近次之,中部溫度普遍較高,原因在于渦流的產(chǎn)生極大影響了氣流與電池表面的熱交換。本節(jié)經(jīng)數(shù)值計算獲得的優(yōu)化模型與基礎(chǔ)模型(1進1回-底部進風(fēng)頂部出風(fēng))相比Tmax降低8.250℃(17.9%),ΔT減小3.943℃(37.8%),T降低4.169℃(10.5%),Tdev減小1.497℃(42.9%),且其冷卻性能與本研究的其它任何模型相比都更具優(yōu)勢,故此將之作為本文的最優(yōu)模型。
3? 結(jié)論
本文針對18650鋰離子電池模塊進行了一系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化,通過在模塊箱體上設(shè)置多個風(fēng)口以及改變進出風(fēng)口安裝位置與尺寸的方式來改進以往單進單出的風(fēng)口布局方式中存在的局部溫度過高以及電池組溫均性差等問題。主要結(jié)論如下:①在保持總進氣量不變的前提下,通過增加進出口可獲得良好的冷卻效果。強制風(fēng)冷散熱下的冷卻性能主要受冷卻氣流的路徑、速度及溫度的影響,當進出風(fēng)口數(shù)量發(fā)生改變時,這些影響因素會隨之改變。②結(jié)合風(fēng)口數(shù)量、位置及尺寸這三個變化因素優(yōu)化電池模塊結(jié)構(gòu)可顯著提升冷卻性能。本文所討論的進出口優(yōu)化方案中,左右兩側(cè)進風(fēng)底部兩角落出風(fēng)的布局方式冷卻效果最佳。此方案與基礎(chǔ)模型相比Tmax和ΔT分別降低8.250℃(17.9%)以及3.943℃(37.8%)。
參考文獻:
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[2]K. Chen, Y.M. Chen, Z.Y. Li, F. Yuan, S.F. Wang, Design of the cell spacings of battery pack in parallel air-cooled battery thermal management system, Int. J. Heat Mass Transf. 127 (2018) 393-401.
[3]K. Chen, Z. Li, Y. Chen, S. Long, J. Hou, M. Song, S. Wang, Design of parallel aircooled battery thermal management system through numerical study, Energies 10 (2017) 1677.
[4]T. Wang, K.J. Tseng, J.Y. Zhao, Z.B. Wei, Thermal investigation of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced air-cooling strategies, Appl. Energy 134 (2014) 229-238.
[5]R.D. Jilte, R. Kumar, M.H. Ahmadi, L.G. Chen, Battery thermal management system employing phase change material with cell-to-cell air cooling, Appl. Therm. Eng. 161 (2019) 114199.
[6]K. Chen, S.F. Wang, M.X. Song, L. Chen, Structure optimization of parallel air-cooled battery thermal management system, Int. J. Heat Mass Transf. 111 (2017) 943-952.