第PAGEI頁特斯拉Model-s電動(dòng)汽車的電池組熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1672特斯拉Model-s電動(dòng)汽車的電池組熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析案例 149911.1電池組溫度場仿真分析 1268811.1.1鋰離子電池組建模 1303261.1.2網(wǎng)格劃分 2231921.1.3參數(shù)和邊界條件 395711.2無冷卻下電池組散熱情況 3187811.3電池組熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 5211341.4不同冷卻液流量對散熱效果的影響 843641.5不同放電倍率對散熱效果的影響 101.1電池組溫度場仿真分析本文通過研究簡化特斯拉Model-s電動(dòng)汽車的電池組，在實(shí)際運(yùn)用中，Model-s的電池組是由7140節(jié)18650型鋰離子電池組組成，它們再通過拆分分為以444為一組的16組電池組電池組之間都是通過串聯(lián)連接。由于這么多的電池組合在一起，所以它們之間一定會(huì)因?yàn)樯岬葐栴}產(chǎn)生熱量。因此在實(shí)際運(yùn)用中對電池組進(jìn)行有效的熱管理系統(tǒng)是必須的。1.1.1鋰離子電池組建模本文選擇了研究一個(gè)電池組,其包括九十六節(jié)電池,將它們以八*十二的排列方式通過成串并聯(lián)和交錯(cuò)的方法結(jié)合到一起,并規(guī)定在每節(jié)電池之間分隔為兩毫米,最后再在電池外面增加了一個(gè)殼,電池被包圍在里面并通過設(shè)定一個(gè)能夠讓液體自由流通的區(qū)域，來達(dá)到應(yīng)液體流動(dòng)的方式進(jìn)行降溫。在建模過程中我們要對電池進(jìn)行簡化，忽略電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在完成電池組的模型建立后，就需要建立外殼并設(shè)計(jì)液體流動(dòng)區(qū)域，針對電池組的模型結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)外殼尺寸為：70×190×275mm圖5-1電池組整體模型1.1.2網(wǎng)格劃分在完成建模后，使用GAMBIT軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因?yàn)楫?dāng)用正四面體網(wǎng)格劃分時(shí),在通過不斷的增加網(wǎng)格面積的過程中網(wǎng)格的數(shù)量也相應(yīng)增多,導(dǎo)致了計(jì)算數(shù)增加;當(dāng)用正六面體網(wǎng)格分割時(shí),就需要我們使用手動(dòng)劃分進(jìn)行修改，其操作過于復(fù)雜。所以我們先對模型進(jìn)行簡化，在保持熱源和散熱的情況下達(dá)到效果。將整個(gè)電池組簡化為一個(gè)立方體的模型，在它的內(nèi)部建立一個(gè)同樣比例的立方體熱源，保持電池組以外的模型，最終的模型如下圖5-2所示。并使用四面體網(wǎng)格劃分，減少仿真時(shí)的迭代次數(shù)且保證它的計(jì)算精度。圖5-2網(wǎng)格模型1.1.3參數(shù)和邊界條件本章在仿真時(shí)均在1C的放電倍率下進(jìn)行，冷卻液的物理參數(shù)如下圖5-3所示。圖5-3冷卻液物理參數(shù)在模擬過程中出現(xiàn)了流固耦合,所以需要對相互耦合的邊界加以設(shè)定,同時(shí)設(shè)置系統(tǒng)的最大自由對流系數(shù)為0.5W/m.k。1.2無冷卻下電池組散熱情況首先通過模擬電池組在沒有冷卻系統(tǒng)下的情況，以電池組在1C的放電倍率工作時(shí),得到動(dòng)力電池組的工作溫度分布圖。在電池組熱源所處環(huán)境溫度的最高點(diǎn)的環(huán)境溫度約為312.5K如圖5-4所示,動(dòng)力電池表面最高溫度為311.2K,而動(dòng)力電池表層的最低溫度則為306.3K如圖5-5所示。本次模擬是在電池組沒有使用冷卻裝置的情況下，也就是毫無冷卻液體流出的狀況下。動(dòng)力電池組在進(jìn)行了一段時(shí)間的熱釋放后,得到了動(dòng)力電池內(nèi)的溫度分布。由此可知，電池組在沒有冷卻裝置的情況下，它的溫度得不到有效的控制導(dǎo)致會(huì)持續(xù)升高，在這種情況下可能會(huì)導(dǎo)致電池組的熱失控，溫度過高還會(huì)影響它的使用性能。圖5-4熱源處最高溫部分圖5-5電池表面處最高溫和最低溫1.3電池組熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真根據(jù)前面對的仿真可以得到，電池組在沒有冷卻系統(tǒng)，保持在自然對流的情況下，經(jīng)過一定的工作時(shí)間后，電池組內(nèi)部熱源溫度最高可以達(dá)到312.6K，這已經(jīng)大大超過了鋰電池的最佳工作溫度區(qū)間。所以,電池組在沒有冷卻系統(tǒng)的狀況下也會(huì)出現(xiàn)熱積聚等問題,所以合理的電池?zé)峁芾硪彩潜匾摹Ｋ詾榱耸闺姵亟M能夠在正常工作溫度范圍，那就要為電池組增加一個(gè)液體冷卻系統(tǒng),并且通過比較不同放電倍率和流量的工作情況得出他們的溫度分布圖，然后加以分析。通過對前面一章微通道的研究知道了S型通道的特性很好,于是就確定了S型的排列形式,將出入口放在電池組的兩邊，并且以斜對角線的方法作為進(jìn)出口形式完成了模擬。（1）湍流模型的選擇首先對電池組的散熱系統(tǒng)進(jìn)行假設(shè),然后在對湍流模式下做出選擇。假設(shè)如下：冷卻板不會(huì)因?yàn)槿魏卧蚨冃?；流體表面和固體接觸面的摩擦力無限大;只考慮電池組內(nèi)部換熱；流體無慣性力及邊界壓力。根據(jù)這些假定,我們還需要對模型中是否選擇了湍流作出推測。通過流體力學(xué)的知識我們能夠得出,推斷為湍流或?qū)恿鞯闹匾獦?biāo)準(zhǔn)來自于體系雷諾數(shù)的大小以及能否達(dá)到臨界點(diǎn),若超過為湍流,反之則為層流。體系雷諾數(shù)的計(jì)算方法如下: Re=VLv式中，L為特征長度，單位為m；v為流體的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)，單位為m2/s；μ為流體的動(dòng)力粘度系數(shù)，單位為kg/(m?s)，計(jì)算方法如下： μ=μ0式中，μ0表示流體的動(dòng)力粘度系數(shù)且是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下0攝氏度時(shí)，其余項(xiàng)皆為常數(shù)。Ts為124K，T0通過計(jì)算得出冷卻液是以湍流的方式流動(dòng)。圖5-6為Fluent中選擇的湍流模型。圖5-6湍流模型的選擇（2）計(jì)算方法及欠松弛因子的選擇在電池組的發(fā)熱過程中整個(gè)過程屬于耦合傳熱，所以我們選擇本SIMPLE算法，如圖5-7所示，并且對欠松弛因子進(jìn)行設(shè)置，防止它收斂速度過快，來提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。圖5-7求解操縱器方式的選擇圖5-8欠松弛因子的設(shè)置（3）邊界條件的設(shè)置對出入口邊界，壁面邊界，耦合邊界等均做出設(shè)置，使得仿真的結(jié)果相同。入口邊界將它定義為質(zhì)量流量入口且初始流量設(shè)置為0.03kg/s。將出口邊界定義為壓力輸出邊界。壁面邊界是將冷卻板的邊界及內(nèi)熱源均設(shè)置為壁面邊界，壁面溫度常溫，對流換熱系數(shù)0.5W/m?k。耦合邊界是固體與液體之間進(jìn)行熱量傳遞，軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行耦合。1.4不同冷卻液流量對散熱效果的影響冷卻液不同的入口流量也會(huì)對電池組的工作溫度產(chǎn)生改變,故本節(jié)中通過以三個(gè)不同冷卻液的流量為對比,分別為0.003、0.03、0.3（單位為kg/s），同時(shí)為了提高仿真的明顯性，本次仿真選擇在3C放電倍率下的情況對電池組進(jìn)行仿真。仿真得出的溫度分布圖如下所示：圖5-9流量為0.003kg/s時(shí)的溫度分布圖圖5-10流量為0.03kg/s時(shí)的溫度分布圖圖5-11流量為0.3kg/s時(shí)的溫度分布圖表5-1不同流量時(shí)的電池組溫度分布0.003kg/s0.03kg/s0.3kg/s電池表面最高溫度306.0304.1302.9電池表面最低溫度302.0300.4299.9電池內(nèi)部最高溫度310.1307.7301.5由上表可知在相同的放電倍率的情況下，冷卻液體的流量大，它的散熱效果就越好，在達(dá)到充分散熱后，入口流量越大的散熱效果就越明顯，可以使電池的溫度降低到正常工作溫度范圍。并且在達(dá)到一定的流量后，它的降溫效果就會(huì)表現(xiàn)的不是很明顯。由此可以得到隨著冷卻液的流量的增大，它的最高溫度逐漸降低，三種不同流量之間的最高溫度差為3.1K，所以冷卻液入口流量的增加有利于對流傳熱，同時(shí)也提高了它的降溫效果。1.5不同放電倍率對散熱效果的影響在動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，不同的工作情況會(huì)影響電池的溫度。通過研究電池的產(chǎn)熱原理和傳熱特點(diǎn)可以知道,電池是由不同的溫度環(huán)境和電池的加熱特點(diǎn)在二者共同的影響下,形成了溫度的轉(zhuǎn)變。所以,不同的溫度都會(huì)引起電池工作溫度的改變;而電池的產(chǎn)溫則是由電池的不同放電倍率所影響,在同樣的溫度下,越大的放電倍率就會(huì)提高電池的升溫速率。本節(jié)通過研究1C、2C、3C三種不同放電倍率情況下的電池組發(fā)熱情況，以冷卻液流量相同為0.03kg/s。仿真得出的溫度分布圖如下所示：圖5-122c放電倍率電池內(nèi)部溫度分布圖圖5-133c放電倍率電池內(nèi)部溫度分布圖表5-2不同放電倍率時(shí)的電池溫度分布1C放電倍率2C放電倍率3C放電倍率電池內(nèi)部最高溫度303.8301.9308.0電池表面最高溫度301.9302.9304.0電池表面最低溫度300.