大功率lifepo4動力電池組散熱性能分析

0電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能源危機(jī)和環(huán)境污染日益突出。近年來，電動汽車的主要優(yōu)勢是低能耗和零排放。電動汽車的整車性能主要受動力電池的影響:一方面電池模塊溫度過高,局部溫差過大均會降低電池循環(huán)壽命與動力性能;另一方面,電動汽車在高功率運行時,放電電流增大,電池產(chǎn)生大量熱量會引發(fā)熱失控,造成安全事故。為了提升電池壽命,避免熱安全事故,必須設(shè)計合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),保證電池在合適的溫度下運行,同時提升電池模塊的熱均勻性。采用空氣冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計容易、制造成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、利于整車設(shè)計,因而仍是許多汽車生產(chǎn)商的實際選擇方法。近年來,Mahamud等設(shè)計了一種基于空氣周期性往復(fù)流動的圓柱形LiMn2O4電池組熱管理方法,并用二維數(shù)值模擬和集中參數(shù)模型法進(jìn)行研究。Park設(shè)計了基于空氣冷卻方形電池組的流動通道,并采用熱阻分析模型與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對比研究了幾種方案的可行性。Giuliano等設(shè)計制造了基于泡沫金屬作為熱交換板的空氣冷卻方形鋰鈦電池?zé)峁芾砟Ｐ?用實驗的手段研究了在一定范圍放電電流下兩種空氣流量時的散熱性能。為了研究大功率動力電池組散熱性能,本文采用數(shù)值模擬的方法,建立了大功率非均勻產(chǎn)熱動力電池組散熱三維模型,模擬分析了基于空氣單向流動冷卻和往復(fù)流動冷卻的LiFePO4動力電池組(4×6)的散熱性能。1電池單體模型基于空氣冷卻的大功率動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)如圖1所示,電池模塊內(nèi)含24個單體電池,單體電池采用42110型磷酸鐵鋰(LiFePO4)動力電池,標(biāo)稱容量為10A·h。圖1c和1d分別表示模型的電池模塊和網(wǎng)格劃分結(jié)果。電池模塊電壓為38V(12S×2P:S,串聯(lián);P,并聯(lián)),容量為20A·h。模擬分為三個部分,首先是單體電池產(chǎn)熱特性分析和電池正負(fù)極交叉排列的影響,其次是不同入口流速和角度時的強迫對流冷卻下電池組的散熱性能,最后研究空氣入口和出口交替變換時電池組散熱性能。其中重要的模擬參數(shù)分別為:環(huán)境溫度298.15K,電池單體的比熱容1100J·kg-1·K-1,為了更加符合實際,電池單體的徑向?qū)嵯禂?shù)取0.8W·m-1·K-1,軸向和切向?qū)嵯禂?shù)取27W·m-1·K-1,外殼與周圍環(huán)境的對流換熱系數(shù)5W·m-2·K-1。在對單體電池模型進(jìn)行傳熱分析之前,對模型進(jìn)行了6種不同數(shù)量(11100、39900、159600、216125、356100、748125)的網(wǎng)格劃分,分別計算總表面熱流量和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),從圖2可以看出,網(wǎng)格數(shù)量為216125和359100時,計算結(jié)果相差很小,可以認(rèn)為得到網(wǎng)格獨立解,對電池組也進(jìn)行了類似的網(wǎng)格獨立解分析。本文也對步長無關(guān)解進(jìn)行了分析,選定步長為3s。2計算與分析2.1電池的產(chǎn)熱特性在之前的實驗測定中,單體電池5C放電時,正負(fù)極溫差最高達(dá)到12℃左右,電池表面最高溫度達(dá)到89.79℃(362.94K),其中超過50℃的時間為620s。圖3中黑色的曲線反映了電池單體5C放電時,實驗測試的正極、中部和負(fù)極表面的溫度隨時間變化的情況。為了研究正負(fù)極溫差對電池模塊最高溫度和局部溫差的影響,本文借助于Fluent中的UDF功能,編寫符合電池單體產(chǎn)熱規(guī)律的用戶自定義函數(shù),擬合結(jié)果與實際符合較好,如圖3中紅色的曲線所示。擬合后的熱源經(jīng)過UDF編譯后作為電池組中每一個單體的熱源。接下來模擬了圖1b(正負(fù)極單排,簡稱same)和圖1c(正負(fù)極叉排,簡稱cross)兩種情況下電池組5C放電時的產(chǎn)熱特性。圖4反映了入口風(fēng)速(v)為2m/s時兩種排列方式電池組的最高溫度和局部溫差。從圖4可知,在第840s時,叉排和單排電池組的最高溫度分別為336.47K和337.07K,局部溫差分別為31.74K和32.32K,可見叉排的最高溫度和局部溫差均比單排時低0.6K左右。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為正負(fù)極單排時電池組正極平均溫度大于負(fù)極,且不同行之間正極的溫度梯度小于正負(fù)極叉排時不同行之間的情況,因而電池與流動空氣的熱交換量低于叉排時,因此,對于大功率電池正負(fù)極產(chǎn)熱不均勻的情況,為了降低電池模塊部位局部溫度,電池采用正負(fù)極交叉式排列組合是必要的。在接下來的研究中,電池均采用正負(fù)極交叉式排列組合。2.2入口溫度和局部高差在空氣強迫對流冷卻狀態(tài)下,選定電池模塊內(nèi)部各電池單體均采用5C(50A)倍率恒流放電,入口風(fēng)速分別選定0.2m/s、0.5m/s、0.8m/s、1m/s和2m/s。圖5反映了不同入口風(fēng)速時電池模塊最高溫度(圖5a)和局部溫差(圖5b)隨時間的變化情況。總體來看,兩者均隨時間增加而上升,但在前300s,不同風(fēng)速下的最高溫度相差很小,之后差別逐漸增加;在前100s,不同風(fēng)速下的局部溫差相差很小,之后差別逐漸增加;630s之后,風(fēng)速為2m/s時的局部溫差開始小于風(fēng)速為1m/s時的局部溫差,放電結(jié)束時,風(fēng)速為2m/s時的局部溫差甚至小于風(fēng)速為0.8m/s時的局部溫差。當(dāng)v=0.2m/s放電結(jié)束時,電池組的最高溫度和局部溫差分別為344.09K和24.98K;隨著風(fēng)速的增加,當(dāng)v=0.8m/s放電結(jié)束時,電池組的最高溫度和局部溫差分別為341.73K和32.04K;當(dāng)v=1m/s放電結(jié)束時,電池組的最高溫度和局部溫差分別為340.86K和32.95K;當(dāng)v=2m/s放電結(jié)束時,電池組的最高溫度和局部溫差分別為336.47K和31.74K。不難看出,隨著風(fēng)速增加,電池組最高溫度逐漸降低,局部溫差呈現(xiàn)先增加然后降低趨勢。圖6是v=0.5m/s時電池組5C放電結(jié)束時的溫度分布云圖,可見遠(yuǎn)離入口處的溫度相對較高,電池正極部分的溫度明顯高于負(fù)極,比較符合實際情況。入口角度是影響電池模塊溫度的重要因素之一,在模擬中,設(shè)定入口角度和出口角度大小一致。接下來研究兩種入口角度(10o和15o)、三種入口風(fēng)速(0.5m/s、1m/s和2m/s)下電池組的溫度分布情況。從圖7可以得知,v=0.5m/s放電結(jié)束時,α=15o比α=10o的最高溫度低0.97K,局部溫差幾乎相等;v=1m/s放電結(jié)束時,α=15o比α=10o的最高溫度和局部溫差分別低2.17K和1.46K;v=2m/s放電結(jié)束時,α=15o比α=10o的最高溫度和局部溫差分別低3.33K和2.24K。隨著入口風(fēng)速的增大,角度大小對散熱性能的影響增大。因為當(dāng)風(fēng)速不變、角度增加時,空氣流量增加,單位體積空氣吸收熱量減少,空氣溫度下降,電池與空氣之間的溫差增大,散熱能力增強。風(fēng)速較小時,對流換熱系數(shù)較小,空氣的吸熱量少導(dǎo)致溫升小,增大入口角度后,空氣流量增加,空氣溫升進(jìn)一步減小不明顯,總散熱量變化不大,因而最高溫度和局部溫差變化不明顯;相反,風(fēng)速較大時,對流換熱系數(shù)較大,空氣的吸熱量多導(dǎo)致溫升大,增大入口角度后,空氣流量增加,空氣溫升減小程度明顯,進(jìn)一步增加傳熱量。為了提升散熱效率和節(jié)約空間,需要選擇合理的入口角度和風(fēng)速。2.3電池局部降溫為了減小電池組的溫差,本文在前面基礎(chǔ)上嘗試周期性地交換空氣入口和出口,風(fēng)速選定2m/s,半周期為210s,模擬的過程中監(jiān)測6個特殊電池的最高溫度,以及整個電池組的最高溫度和局部溫差。圖8a顯示了6個電池最高溫度隨時間的變化情況,其中17號電池的最高溫度波動比較明顯,說明往復(fù)通風(fēng)時,通過8號和17號電池周圍的空氣流量和速度較大,因而換熱系數(shù)較大。在第一個半周期內(nèi),6個電池溫升趨勢相同,因為電池溫升較低,進(jìn)而電池與空氣溫差較低,各個電池單體的強制對流換熱量幾乎相同;在第二個半周期,流動方向相反,17號電池與空氣的換熱系數(shù)高,溫升較其它幾個電池緩慢;進(jìn)入第三個半周期,空氣對17號電池的冷卻效果減弱,該電池溫升速度加快;進(jìn)入第四個半周期,空氣對17號電池的冷卻效果又增強,該電池最高溫度呈下降趨勢。往復(fù)通風(fēng)對其它5個電池的最高溫度影響不明顯。圖8b表示風(fēng)速為2m/s,半周期為210s往復(fù)通風(fēng)時,整個電池組最高溫度和局部溫差隨時間變化情況,其中藍(lán)色線和紅色線分別表示風(fēng)速為2m/s單向通風(fēng)和往復(fù)通風(fēng)時的局部溫差曲線。隨著入口出口交替變換,局部溫差曲線在單向通風(fēng)時的局部溫差曲線附近隨半周期出現(xiàn)波動趨勢,總體上是隨時間而增大,局部溫差超過單向通風(fēng)時的局部溫差的時間超過300s,并且最終局部溫差上升3K左右,這說明周期較大時的往復(fù)通風(fēng)方式不利于減小電池組局部溫差,甚至增加局部溫差。3電池模塊的局部誤差本文建立了大功率非均勻產(chǎn)熱電動汽車動力電池組的3D散熱模型,對系統(tǒng)的傳熱特性進(jìn)行了研究,主要結(jié)論如下:(1)對于大功率電池正負(fù)極產(chǎn)熱不均勻的情況,為了降低電池模塊的局部溫差,