CN| ENG
联系我们 永乐国际注册地址

锂电池并行流道液冷板结构设计和散热性能分析

时间: 2024-02-20 22:52:25 |   作者: 温室气体分析仪

动力电池液冷系统通常包含多个液冷单元,本文研究的一个液冷单元如图1 所示,它主要由电池模组、导热

产品特性

  动力电池液冷系统通常包含多个液冷单元,本文研究的一个液冷单元如图1 所示,它主要由电池模组、导热材料、液冷板以及其他辅助部件组成。电池模组采用VDA 标准设计,每个模组包含4 个电池单体,采用1P4S 的连接方式,液冷板置于电池底部,通过导热材料与电池模组进行热交换。

  底部液冷板内部结构设计如图2 所示,9 个流道沿液冷板宽度方向等间距并行排布,故称为并行流道液冷板。当冷却工质从进口流入后,会先顺着9 个流道分流,液冷板关于中心流道W5 对称,如图3 所示。因此该流道具有结构相对比较简单、流通路径短、流动阻力小的特点。为确保上、下液冷板焊接工艺的可靠性,本文研究的液冷板焊接宽度限定为6. 5 mm。

  本文以并行流道为研究对象,探究并行流道宽度和深度对液冷板散热性能的影响规律。流道的几何结构参数直接影响液冷板的换热性能,流道宽度的参数设计如表1 所示。在保证焊接面不变的前提下,W5、W4、W3、W2、W1 呈等差数列分布。流道设计类型为A5 的流道深度分别取2、3、4、5 mm。

  为探究添加强化传热结构对冷却系统的散热、均温及能耗性能的影响,本文在流道设计类型为A5(即等宽度参数设计)、流道深度为3 mm 的基础上,在并行流道路径上添加强化传热结构。如图4 所示,总共设计了4 种强化传热结构排布形式的液冷板,其中,图4(a)为整体添加强化传热结构;图4(b)~(d)为部分添加强化传热结构。为了改善液冷板整体的温度一致性,需强化出口端的传热能力,因此,设计A0为进口,A1为出口。

  在液冷单元中,电池工作产生的热量以热传导方式经导热材料传递到冷却液散出,因此,冷却液的流动换热过程遵守质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒,表达式分别为:

  本文基于计算流体动力学(Computational flu⁃id dynamics,CFD)软件对液冷板进行稳态数值求解,计算采用湍流模型。根据试验测试,电芯在1 C放电倍率下的发热功率为27 W,单个模组的发热功率为108 W。为节约计算资源,将电池模块发热源简化为导热材料表面热流密度边界。选取50%水乙二醇溶液为冷却液,系统初始温度均设为25 ℃,流量为1. 25~6. 25 L/min,压力出口为0 Pa。计算过程中,假设整个液冷单元的外表面为绝热状态,电池热量全部由冷却液导出。电池模块、液冷板、导热材料以及冷却液的热物性参数见表2。

  为保证数值计算的收敛性,本文对计算模型采用非结构化网格,并对流固耦合边界层进行加密。计算选用k- ε 模型,控制方程的残差值均小于10-6。通过网格独立性检验可知,流体域和固体域的总网格数量为285 万左右时,能保证计算结果精度。此外,还需将CFD 计算得到的流-固交界面换热功率、冷却液温升与理论计算值作对比,验证结果的准确性。图5 为理论与CFD 的计算结果对比。由图5 能够准确的看出:所有算例的误差控制在0. 3% 以下,表明计算结果具有较高的可信度。

  在液冷系统模块设计中,冷却液流量是重要的设计参数之一。在A5 并行流道类型下,不同流量对液冷板导热材料上表面平均温度和最大温差的影响如图6 所示。由图6 能够准确的看出:随着流量的增大,平均温度和最大温差均明显降低。当流量从1. 25 L/min 增大到2. 5 L/min 时,平均温度从45. 19 ℃ 下降到39. 6 ℃ ,降低了5. 59 ℃ ;最大温差从23. 08 ℃ 下降到17. 43 ℃ ,降低了5. 65 ℃ 。

  但是,当流量超过3. 75 L/min 时,每增加1. 25L/min,平均温度分别降低1. 12、0. 66 ℃;最大温差分别降低2. 94、1. 68 ℃。这表明,随着流量的进一步增大,平均温度和最大温差的下降趋势逐渐变缓。图7 为不同流量下液冷板流阻、传热系数和平均热阻变化。不难发现,随着流量的增大,液冷板的传热系数h 逐渐增大,系统热阻R 逐渐下降,但是流动阻力ΔP 却呈幂函数趋势增大。这说明,在一些范围内增大流量,可以显著提升液冷系统的散热性能,但持续增大流量不仅会增加系统能耗,而且对散热性能的改善效果十分有限。

  因此,散热、均温性能的进一步改善需从流道几何设计角度着手。本文后续研究中冷却液流量都采用1. 25 L/min,在该流量下,流道设计参数变化,引起散热、均温性能的变化会更加明显。

  不同流道宽度下导热材料上表面气温变化曲线 所示,能够准确的看出,随着中心流道宽度W5的逐渐增大,导热材料上表面平均温度和最大温差呈上涨的趋势。当W5 为6 mm 时,平均温度为44. 5 ℃ ,最大温差为20. 48 ℃ 。当W5 为15 mm时,平均温度达到峰值45. 49 ℃,增长了2. 2%;当W5 为22 mm 时,最大温差达到峰值23. 08 ℃,增长了12. 7%。

  图9 为不同流道宽度下液冷板流阻、传热系数和平均热阻的变化曲线 能够准确的看出:流阻和传热系数随着W5 的增大而降低,当W5 从6mm 增大到22 mm 时,流阻从270. 6 Pa 降到259. 88 Pa,降低了4% 左右,而传热系数从174. 93 W/(m2·K)降到162. 61 W/(m2·K),降低了7% 左右。平均热阻随W5 的增大而增大,表明液冷板采用中间流道窄、两侧流道逐渐变宽的不等流道宽度分布设计,有利于增强液冷板的散热均温和能耗性能。

  中心流道宽度W5 为6 mm 和22 mm 时的导热材料上表面温度场如图10 所示。不难发现,液冷板温度分布呈现两侧高、中间低的趋势。当W5为6 mm 时,导热材料上表面最高温度为51. 4 ℃,在相同工况下,比W5 为22 mm 时低2. 7 ℃,且温度分布均匀性更好。这是因为,缩小中间流道有利于引导更多的冷却液流向两侧流道,提升液冷板两侧的换热能力,改善液冷板整体的散热性能。其次,在中心流道W5附近,沿着冷却液流动方向,后端的温度不高于中部的温度。这是因为,冷却液温度不高于导热材料表面温度,也就是中部冷却液的温度较低,在液冷板后端,冷却液从9 路流道中流出并汇聚到液冷板出口端,流量增大使得出口附近的冷却液流量远大于中间流道的流量,带走更多热量,所以后端温度低。

  图11 为不同流道深度下导热材料上表面温度的变化曲线。随着流道深度的逐渐增大,平均温度和最大温差均呈上涨的趋势。当流道深度从2mm 增加到5 mm 时,每增加1 mm,平均温度从40. 96 ℃ 依次升高4. 23、2、1. 36 ℃ ,最大温差从17. 09 ℃依次增加5. 99、2. 1、1. 17 ℃。

  图12 为不同流道深度下液冷板流阻、传热系数和平均热阻的变化曲线 可知:液冷板流阻和传热系数与流道深度呈负相关,平均热阻与流道深度呈正相关。当流道深度D=2 mm 时,传热系数达到最大值213. 37 W/(m2·K),比D=5 mm 时高68%。然而,此时系统流阻也达到峰值,其能耗分别是流道深度为3、4、5 mm 时的1. 76 倍、2. 3 倍、2. 9 倍。这是因为在流量一定的前提下,流道深度越小,流道内流速越高,散热性能越好,但这使得系统能耗性能衰退。

  图13 为流道深度分别为2、5 mm 时导热材料上表面和流-固交界面的温度场。当D=2 mm时,导热材料上表面的最大温度为47. 5 ℃,比D=5 mm 时低10. 6 ℃;流-固交界面的最大温度为44. 1 ℃ ,也比D=5 mm 时低10. 6 ℃ 。液冷板高温区域主要分布在近出口端两侧。因此,减小流道深度能带来良好的散热能力。

  作为影响液冷板流道结构设计的另一主要的因素,扰流结构具备极其重大研究意义。图14 为不同扰流结构排布下导热材料上表面气温变化。通过对比5 种流道结构发现:在整体排布扰流结构(S1)下,平均温度和最大温差均达最小值,分别为36. 29 ℃和14. 02 ℃。其中,S1 结构的平均温度比无扰流结构(A5)的低8. 9 ℃ ,最大温差比A5 低9. 06 ℃。然而,部分排布扰流结构(S2~S4)的散热均温性也明显强于A5,但略微逊色于S1。在S2、S3、S4 结构下,平均温度分别达38. 77、37. 77、37. 88 ℃ ,最大温差分别达17. 01、15. 67、15. 74 ℃。这表明,在流道上合理地添加扰流结构可强化系统传热能力。

  扰流结构对液冷板流阻、传热系数和热阻的影响如图15 所示。与无扰流结构(A5)相比,在相同工况条件下,添加扰流结构(S1~S4)可明显提升传热系数、降低热阻,但流阻略微增大。当流道结构为S1时,液冷板传热系数比A5时高40. 33%,热阻比流道结构为A5 时低49. 26%,流阻比流道结构为A5 时高4. 91%。当流道结构为S2、S3、S4时,液冷板的传热系数比流道结构为A5 时分别高17. 92%、25. 87%、24. 3%,比流道结构为S1 时分别低15. 97%、10. 31%、11. 43%。

  (1)在一些范围内增大冷却液流量可以大幅度的提高液冷系统的均温性能和散热性能,但流量的持续增大不仅对散热性能的改善十分有限,而且会造成流道阻力成倍增大,削弱液冷板能耗性能。

  (2)对于并行流道液冷板,流道宽度采用从两侧向中心逐渐递减的设计有助于提升其散热、均温性能。当中间流道宽度W5 从22 mm 降低到6 mm 时,导热材料上表面最大温差下降了12%。其次,当流道深度从5 mm 下降到2 mm 时,导热材料上表面的平均温度和最大温差分别下降了18. 5% 和35. 1%,液冷板的散热、均温性能均得到较大改善,系统也变得更小巧紧凑。但是流阻变成原来的2. 9 倍,明显地增加了电池系统能耗。

  (3)在液冷板中合理添加扰流结构能大幅度提升系统传热能力。与无扰流结构液冷板相比,整体排布扰流结构使导热材料上表面平均温度降低了8. 9 ℃,最大温差降低了9. 06 ℃,而液冷板流阻仅提高了4. 91%,实现了液冷系统散热、均温性能与能耗性能之间的均衡,对电池热管理系统结构设计有较好的参考应用价值。


上一篇: PjTime
下一篇: 目标公式(全网最好用的目标公式网)
相关产品
  • 目标公式(全网最好用的目标公式网)
    More
  • 15分钟顺势目标公式 cci顺势目标买入法
    More
  • 2024全球及中国软磁材料市场发展深度调查及发展的策略评估预测报告
    More
  • 铝资讯-铝资讯新闻-有色金属新闻-中国有色网-中国金属报主办
    More
  • 【喜报】306所员工在国防科技工业复合材料技术竞赛中获佳绩
    More
  • 别贪小便宜!这种假木地板含有毒物质
    More
  • 2023年全球及中国软磁材料市场规模、产量、需求量及市场之间的竞争格局
    More
  • 同比下降率的计算公式是什么
    More