《汽车文摘》年第12期锂离子电池的可靠性、性能和寿命受工作温度的影响很大，为了保持良好的工作温度条件，基于蛇形微通道冷板设计了一种新的圆柱电池液体冷却热管理系统。研究了通道与冷却板的高度比，入口质量流速和流动方向对电池组冷却性能的影响。CFD分析结果表明，在不同的通道高度比下，电池组的最高温度和温度差的变化相对较小，而在不同的入口质量流量和流动方向下，电池组的最高温度和温度差异的变化较大。随着通道与冷却板的高度比和入口质量流量的增加，压降的趋势分别增大和减小。入口质量流量为12×10-4kg/s时最优模型的最高温度和最大温差分别降低7.℃(18.22%)和9.℃(87.66%)。0引言增加微通道中传热系数的一种方法是使用波浪形壁而不是直壁，因为在波浪形壁微通道中，流动具有复杂的行为，与直微通道相反，在波浪形壁微通中存在再循环区和回流，速度矢量不平行于壁。雷诺数和几何参数的变化导致回流区的形状、大小以及二次流强度的变化[34]。前人在圆柱形电池热管理上，大量研究了液冷板与圆柱形电池接触面积、不同液体流速、不同放电倍率因素对电池热性能的影响，而对液冷通道与冷板的高度占比、通道数量以及不同流向的综合因素研究甚少。本文设计一种基于微通道蛇形冷板的电池热管理系统，用于冷却圆柱形锂离子电池。（注：限于篇幅，“引言”部分的内容精简处理）1模型与方法1.1物理问题图1(a)是本文研究的锂离子圆柱形电池组示意图，图中每排锂离子电池都由2个蛇形冷板包裹，电池编号如图(b)表示。在该结构设计中蛇形冷板与圆柱形电池有最大接触面积，结构更加紧凑，并且增加了传热面积。电池的几何尺寸表1所示，图2是电池组尺寸示意图。D1，D3分别表示在同一个蛇形冷板上2个液冷通道之间的距离与液冷通道至冷板顶端的距离。液冷通道高度与宽度分别为D2，D5。D4是蛇形冷板高度，宽度由D6表示。D9表示整个电池模型长度，D7是电池直径，D8是电池直径与2个冷板宽度之和。为了计算简单，电池由单一材料组成，蛇形冷板材质是铝，冷却剂是水，电池、冷却剂、冷却板的热物理参数如表2所示。图1锂离子圆柱电池图2电池模型几何形状图3表示液冷通道与冷板高度占比为0.4的网格划分，采用ANSYSFLUENT15.0进行计算，对于模拟的边界条件，这里设定入口质量流量进口与压力出口。冷却剂的初始温度为26.75℃，液冷通道的出口压力设定为0。定义电池组放电倍率为3C。（注：限于篇幅，该段落的内容精简处理）图3电池模型网格划分与局部放大1.2电池生热机理对于锂电池工作生热实际上是电池内部进行电化学反应产生的热。锂离子电池生热具体分为：反应热Qr、焦耳热Qj、副反应热Qs和极化热Qp，所以锂电池产生的总热量Q可表示如下方程(1)所示。Q=Qr+Qj+Qs+Qp（1）1.3能量守恒方程电池的能量守恒方程可以表示为：其中ρb，cpb，和λb分别表示电池的密度，比热容和导热系数，具体数据已在表2中展示。对于Tb表示电池的温度，q表示单位体积电池的产热量。同理，冷板的能量守恒方程可表示为：其中ρc，cpc，和λc分别表示电池的密度，比热容和导热系数。而Tc则表示冷板的温度。本文所用的冷却介质是液态水，所以液冷通道中水的能量守恒方程表示为：其中ρW、cpW和λW分别表示冷却剂的密度、比热容和导热系数。TW表示冷却剂的温度，冷却剂的速度矢量由v表示。冷却剂的质量与动量守恒方程可表示为：2结果与讨论2.1液冷通道不同高度占比的影本文设计了8种液冷通道与蛇形冷板不同高度占比如表3所示。图4中每个液冷通道冷却剂流向都相同为基础模型。通过改变液冷通道高度，增加或减小冷却剂对冷板的接触面积，讨论了电池在不同液冷通道高度占比下的温度(T)、最高温度(Tmax)与最大温差(?T)，用以上参数来评价电池组最优冷却效果。根据第2章对模型边界条件的设定进行模拟分析，从图5(a)中可以看出液冷通道与冷板不同高度占比下电池组中电池温度变化，编号1的电池单元温度最高，但由于不同液冷通道高度占比之间的电池温度都很相近。从图5中可以看出电池组ΔT随着液冷通道占比的减小而减小，ΔP则随着液冷通道高度占比的减小而增大，在液冷通道占比0.1时电池组ΔT最小，ΔP最大，通过曲线走势ΔP在液冷通道高度占比0.4时开始减缓，在压力损失相差不大的情况下选取最小的ΔT。综上所述，选取合适工况为液冷通道与冷板高度占比0.4。该工况的最高温度40.89℃，最大温差10.34℃，单个通道压力损失.88Pa。图5液冷通道不同高度占比对电池的影响2.2冷却液不同流向的影响本文设计了图7所示的4种冷却剂不同流向。图7冷却剂不同流向类型从图8(a)和图8(b)展示了在不同流向下的T、Tmax、?T，观察看到所有流向的最高温度都超过40℃，Case1与Case4最大温差超过5℃。从图8（b）可以看出，Case3是最优工况，该工况最高温度40.℃，最大温差3.℃，该参数值中只有最大温差满足规定的5℃之下。图8液冷通道不同高度占比对电池的影响2.3不同入口质量流量的影响图9所示分别考虑了入口质量流量为6×10-4kg/s，9×10-4kg/s，12×10-4kg/s，15×10-4kg/s，18×10-4kg/s。随着入口质量流量增大，电池组的T、Tmax、ΔT逐渐降低，而ΔP逐渐升高。当入口质量流量为6×10-4kg/s时，最高温度超过40℃，所以该入口质量流量不可取。观察图9(b)、图10可知，在入口质量流量为12×10-4kg/s之后，最高温度与最大温差曲线图开始变缓，而压力损失则开始递增。与入口质量流量为15×10-4kg/s相对比，最高温度升高了1.℃，最大温差升高了0.℃，温度变化波动不大，但是压力损失减少了.47Pa，降低了水泵做功所消耗的电能，使电动汽车有更长的续航里程。综上所述，在入口质量流量15×10-4kg/s为合适的工况，该工况电池组最高温度33.℃，最大温差1.℃，单个通道压力损失.51Pa。图9不同入口质量流量图10不同入口质量流量下电池组温度云图3结论本文首先建立所有液冷通道冷却剂流向相同为基础模型。在入口质量流量6×10-4kg/s，环境初始温度26.75℃下，通过改变液冷通道高度与蛇形冷板高度占比，一共有8种不同液冷通道高度占比工况。由于液冷通道与冷板高度不同占比对冷却性能的影响不大，在这里选出合适工况是液冷通道与冷板高度占比0.4，它的最高温度40.89℃，最大温差10.34℃，单个通道的力损失.88Pa。在液冷通道与冷板高度占比0.4前提下，改变冷却剂流动方向，共4种流向，通过对比分析，得出相邻隔板间液冷通道冷却剂不同流向(Case3)为最佳流向。该工况的最高温度是40.℃，最大温差是3.℃，比基础工况Case1比，最大温差降低效果显著。最后改变入口质量流量，在不同的入口质量流量下观察电池工作温度及压力损失的变化，考虑到电池的能耗与寿命，选择合适的入口质量流量为12X10-4kg/s，电池组的最高温度33.℃，最大温差1.℃，单个通道压力损失.51Pa。（注：限于篇幅，原文部分的内容已作精简处理）___________________________________________原文作者：谢忱创来源期刊：《汽车文摘》年第12期预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
