汽車鋰電池組微通道散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25715汽車鋰電池組微通道散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析案例 1236381.1引言 1240771.2數(shù)值計(jì)算 16921.2.1微通道散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì) 196061.2.2網(wǎng)格劃分 282371.2.3初始條件和邊界條件 316851.2.4數(shù)值計(jì)算設(shè)置 344101.3相同水流量三種散熱系統(tǒng)性能比較 6135361.4相同水流速三種散熱系統(tǒng)性能比較 101.1引言當(dāng)電池以電池組的形成工作時(shí)，電池分布密集，空氣對流作用弱，容易造成熱量的積累，此時(shí)自然散熱效果變差。為了保證電池在最佳工作溫度范圍內(nèi)，本章分析了水冷微通道散熱系統(tǒng)對電池組散熱性能影響。分析了微通道內(nèi)部流動特性，電池組表面溫度，以及電池放電過程中的最高溫度以及電池組最高溫度保持在最佳范圍內(nèi)的工作時(shí)間作為評價(jià)指標(biāo)，比較了微通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對2C放電電池組散熱性能。1.2數(shù)值計(jì)算1.2.1微通道散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)由10顆尺寸為?18mm×65mm的單體電池交錯排列布置組成的電池組如圖4-1所示。X方向電池之間間距為4mm，Z方向電池之間間距為3.54mm。本章對10個電池組系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種微通道結(jié)構(gòu)，每種系統(tǒng)電池與微通道的接觸面積相同，單顆電池與微通道接觸面積為2598mm2。同時(shí)微通道的入口管徑相同，為10mm。微通道高度和電池高度相同，為65mm。通過Spaceclaim進(jìn)行模型建立，模型如圖4-2所示。其中，結(jié)構(gòu)A的通道為”S”形，由一個入口和一個出口組成；結(jié)構(gòu)B的通道為”I”形，包含了三個進(jìn)口和出口，結(jié)構(gòu)C的通道為波浪形，包含了一個進(jìn)口和一個出口。圖4-1單體電池交錯排列(A)(B)(C)圖4-2三種不同的微通道幾何模型1.2.2網(wǎng)格劃分本文采用ANSYSMESHING軟件對建立的三種電池組系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型主要是四面體網(wǎng)格單元。通過膨脹層對電池與微通道壁面進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分，同時(shí)通過局部面網(wǎng)格尺寸對電池與微通道接觸面進(jìn)行面網(wǎng)格加密處理，這將有利于捕捉這些位置溫度劇烈的變化。模型全局最大尺寸為1mm，邊界層第一層厚度為0.05mm，增長比為1.1，層數(shù)為6層。網(wǎng)格尺寸是模型仿真結(jié)果的一個重要因素，網(wǎng)格的數(shù)量對計(jì)算結(jié)果的精度以及計(jì)算的規(guī)模有較大的影響。通常增加網(wǎng)格的數(shù)量在一定程度上可提高計(jì)算的精度，但也會增加很大的計(jì)算量。綜合考慮，本文將模型網(wǎng)格總數(shù)劃分為245868個，微通道A的網(wǎng)格如圖4-3所示。圖4-3微通道A電池組系統(tǒng)網(wǎng)格示意圖1.2.3初始條件和邊界條件為了簡化計(jì)算，對電池模組作以下假設(shè)：（1）電池內(nèi)部電解液不流動，忽略內(nèi)部對流換熱；（2）忽略電池內(nèi)部和空氣的對流與輻射作用；（3）電池和水的物性參數(shù)均為常數(shù)，不受溫度影響；（4）電池內(nèi)部發(fā)熱均勻；（5）微通道內(nèi)的水是不可壓，各向同性的，且流動為層流。電池?zé)嵝?yīng)模型微分方程的求解除了第三章參數(shù)外，還需要對電池的初始條件和邊界條件進(jìn)行定義，這樣才能得到電池的溫度場的數(shù)據(jù)。（1）初始條件 t=0T(x,y,z,0)=T0 (4-1)其中，t為放電時(shí)間，T表示電池的初始溫度，本文中T0為34℃。（2）邊界條件微通道水入口為速度入口邊界： Ti=310.15K,v=0.05和m=0.0065kg/s微通道水出口為壓力出口邊界： Ts=電池與微通道接觸面為熱耦合面： Ts=其他面為絕熱壁面： ?T?x1.2.4數(shù)值計(jì)算設(shè)置（1）求解器設(shè)置本文才用ANSYSFLUENT進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬采用3D雙精度模型，基于壓力基求解器進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)過程計(jì)算。時(shí)間步長設(shè)為0.02s，每步最大迭代次數(shù)設(shè)為100。（2）網(wǎng)格檢查將網(wǎng)格進(jìn)行劃分后，導(dǎo)入到FLUENT中，為了保證計(jì)算能夠順利進(jìn)行，在FLUENT中需對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，其中主要包括負(fù)網(wǎng)格、長寬比、面積比、扭曲度等。（3）模型的選擇單體電池主要涉及到自身的產(chǎn)熱以及電池外表面與微通道強(qiáng)制對流換熱，因此需用到能量守恒方程，動量守恒方程和質(zhì)量守恒方程。（4）定義電池材料物性參數(shù)根據(jù)參考文獻(xiàn)中給出的數(shù)據(jù)，可以得到計(jì)算所用的電池物性參數(shù)，新建一個材料，命名為battery，并將此物性參數(shù)輸入到對應(yīng)的物性中去，如圖4-4所示。圖4-4電池材料熱物性設(shè)置（5）電池內(nèi)熱源源項(xiàng)設(shè)置電池固體域具有內(nèi)熱源，由第三章建立的電池生熱模型可知該內(nèi)熱源是變化的，隨著電池荷電狀態(tài)（SOC）的變化而變化。電池的熱源項(xiàng)通過用戶自定義函數(shù)（UserDefinedFunction，UDF）進(jìn)行編寫，并通過編譯的方式加載到FLUENT，其中2C放電UDF如圖4-5所示，UDF設(shè)置如圖4-6所示。圖4-52C放電電池產(chǎn)熱UDF圖4-6電池?zé)嵩丛O(shè)置方法（6）邊界條件設(shè)置本章所研究的模型中包含有速度入口，壓力出口，絕熱壁面以及熱耦合壁面。速度入口需要定義入口水流速和溫度，壓力出保持默認(rèn)設(shè)置，電池與微通道的接觸面會自動設(shè)置為耦合壁面，出現(xiàn)wall-shadow面。（7）求解器設(shè)置速度-壓力求解采用SIMPLE算法（Semi-ImplicitMethodforPressureLinkedEquations），壓力、能量和動量的離散方式設(shè)為二階迎風(fēng)格式。求解器如圖4-7所示。4-7求解器設(shè)置（7）計(jì)算域初始化采用標(biāo)準(zhǔn)初始化，初始溫度設(shè)置為310.15K，對整個計(jì)算域進(jìn)行初始化。1.3相同水流量三種散熱系統(tǒng)性能比較圖4-8展示了水流量為0.0065kg/s時(shí)，三種微通道結(jié)構(gòu)的壓力和速度分布，由于微通道內(nèi)部水流動幾乎是穩(wěn)定了，所以僅僅顯示了一個時(shí)間的結(jié)果。從圖4-8a可以看出，微通道C的靜壓最大，最大壓力為5.27Pa；其次是微通道A，最大壓力為1.03Pa；微通道C的靜壓最小，最大壓力為約0.483Pa。原因是微通道C的流道最短，同時(shí)入口流速最低。這表明微通道C散熱時(shí)需要更大的泵功，消耗更多的能量。另外，從圖4-8b可以看出，微通道C的速度最大，最大速度為0.0378m/s；其次是微通道A，最大速度為0.0350m/s；微通道C的速度最小，約0.0120m/s。其中，微通道A的速度最為均勻，且通道內(nèi)有更少的速度死區(qū)，進(jìn)而有利于熱量的交換。(b)圖4-8水流量0.0065kg/s微通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對壓力和速度分布影響，z=32.5mm圖4-9展示了水流量為0.0065kg/s時(shí)，三種微通道結(jié)構(gòu)在t=600s和1200s的溫度分布云圖。從圖中可以看出，所有模型中微通道入口附近電池溫度最低，隨著流動方向逐漸升高，這是因?yàn)槔鋮s水的溫度逐漸增加。另外電池高溫區(qū)域分布幾乎與流道平行，也就是散熱主要集中在微通道區(qū)域附近。對比三種微通道結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)微通道A的最高溫度為40.7°C，微通道B的最高溫度為41.8°C，微通道C的最高溫度為40.9°C。這意味著微通道A有最好的散熱性，能夠更有效進(jìn)行電池散熱。其主要原因是微通道A有更均勻流速分布。另外，可以看出，微通道B電池組系統(tǒng)中靠近入口處電池溫度遠(yuǎn)低于其他兩種微通道電池組系統(tǒng)相同位置電池溫度。其原因是微通道C有三個入口，靠近入口處電池有更低的水流溫度，即更大的溫度梯度，因此有更強(qiáng)的散熱能力。但是這并不是有利的，因?yàn)樵谖⑼ǖ莱隹诙穗姵販囟雀哂谄渌麅煞N，也就是說，電池組溫度差異更為顯著，這對于電池組的穩(wěn)定工作時(shí)不利的。當(dāng)放電時(shí)間為t=1200s時(shí)，電池溫度增加，微通道的最高溫度接近45°C。另外，不同微通道結(jié)構(gòu)電池組的差異變得更加明顯，微通道B的溫度比微通道A的溫度高1.6°C，比微通道C的溫度高1.3°C。微通道A微通道B微通道Ct=600st=1200s圖4-9放電時(shí)間600s和1200s時(shí)三種微通道電池組系統(tǒng)電池表面溫度云圖圖4-10展示了t=1200s時(shí)，三種微通道電池組系統(tǒng)電池內(nèi)部溫度分布云圖。從圖中可以看出，電池高度方向溫度分布基本均勻，沒有明顯的溫度梯度。主要原因是電池在高度方向?qū)嵯禂?shù)大，同時(shí)微通道的高度和電池高度相同，能夠在高度方向均勻散熱。而在垂直于流道方向電池有明顯的溫度梯度，與微通道接觸區(qū)域溫度明顯低于中心溫度。這表明微通道有顯著的散熱性能。另外從圖中也能看出微通道出口水溫有了較為明顯的升高，同時(shí)電池附近的水溫也有了一定的增加。這說明需要進(jìn)一步增加水流速。微通道A微通道B微通道C(a)橫截面(b)平行流道面(c)垂直流道面圖4-10t=1200s時(shí)，不同微通道系統(tǒng)系統(tǒng)電池內(nèi)部溫度分布云圖圖4-11展現(xiàn)了不同微通道電池組系統(tǒng)電池最高溫度隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，放電過程前100s，三種微通道電池組系統(tǒng)電池最高溫度基本相同。隨著放電時(shí)間的增加，微通道結(jié)構(gòu)散熱性能差異逐漸變得明顯，微通道B系統(tǒng)中電池溫度上升最快，其次是微通道C和微通道A系統(tǒng)中的電池。當(dāng)放電時(shí)間t=1200s時(shí)，微通道B系統(tǒng)中電池溫度接近45°C，而微通道A系統(tǒng)中電池溫度不到43°C.這表明微通道A有更好的散熱性能。圖4-11三種電池組系統(tǒng)電池最高溫度隨時(shí)間變化曲線1.4相同水流速三種散熱系統(tǒng)性能比較圖4-12展示了水流速為0.05m/s時(shí)，三種微通道結(jié)構(gòu)的壓力和速度分布云圖。如1.3節(jié)所述，一定時(shí)間后微通道內(nèi)部水流動達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，因此僅顯示t=600s的結(jié)果。從圖4-12a可以看出，微通道C的壓力損失最大，最大為75.3Pa；其次是微通道A，最大壓力損失為41.8Pa；微通道B的壓力損失最小，最大壓力損失為18.5Pa。微通道C靜壓最大的原因是有更多的彎曲度，流動阻力更大，因此有更多的壓力損失。這表明微通道C散熱時(shí)需要更大的泵功，消耗更多的電池能量。另外，從圖4-12b可以看出，微通道C的速度最大，最大速度為0.197m/s；其次是微通道A和微通道B，最大速度為0.185m/s。雖然微通道C的速度更大，但是在電池周圍速度較大的區(qū)域比微通道A的小，同時(shí)靠近電池附近區(qū)域速度較低，且區(qū)域面積大于其他兩種結(jié)構(gòu)，形成了較大的流動死區(qū)。(b)圖4-12水流速0.05m/s微通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對壓力和速度分布影響，z=32.5mm圖4-13展示了水流速為0.05m/s時(shí)，三種微通道電池組系統(tǒng)在t=600s和1200s電池表面的溫度分布云圖。從圖中可以看出，所有模型中微通道入口附近電池溫度最低，但是流動方向各電池并沒有展現(xiàn)出明顯的溫度差異，這是因?yàn)槔鋮s水的速度較大，從電池吸收的熱量并不會導(dǎo)致水溫有明顯增加，因此，流動方向電池溫度基本均勻。與上節(jié)相同，電池高溫區(qū)域分布幾乎與流道平行，也就是散熱主要集中在微通道區(qū)域附近。對比三種微通道結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)微通道A和B中電池的高溫度基本相同且為39.9°C，這低于微通道C中電池的最高溫度40.2°C，微通道C的最高溫度為40.9°C。這意味著微通道C的散熱性能最差。其主要原因是微通道C與電池接觸區(qū)域的流動死區(qū)最大，導(dǎo)致對流換熱行書降低，進(jìn)而散熱性能變?nèi)?。?dāng)放電時(shí)間為t=1200s時(shí)，電池溫度增加，微通道的最高溫度接近42.2°C。微通道A微通道B微通道Ct=600st=1200s圖4-13水流速0.05m/s微通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對電池組系統(tǒng)電池表面溫度云圖t=1200s時(shí)，三種微通道電池組系統(tǒng)電池內(nèi)部溫度分布云圖如圖4-14所示。結(jié)果與上一節(jié)水流為0.0065kg/s時(shí)類似，即電池高度方向溫度分布基本均勻，沒有明顯的溫度梯度。垂直于流道方向電池有明顯的溫度梯度，與微通道接觸區(qū)域溫度明顯低于中心溫度。值得注意的是微通道出口水溫和進(jìn)口水溫基本相同，且通道內(nèi)水溫幾何均勻。微通道A微通道B微通道C(a)橫截面(b)平行流道面(c)垂直流道面圖4-14t=1200s時(shí)，不同微通道系統(tǒng)系統(tǒng)電池內(nèi)部溫度分布云圖圖4-15展現(xiàn)了不同微通道電池組系統(tǒng)電池最高溫度隨時(shí)間變化曲線。圖示可以看出，t<100s時(shí)三種微通道電池組系統(tǒng)電池最高溫度基本相同。隨著放電時(shí)間的增加，微通道C系統(tǒng)中電池溫度上升最快，微通道C系統(tǒng)中的電池最高溫度和微通道A系統(tǒng)中的電池最高溫度基本相同。當(dāng)放電時(shí)間t=1200s時(shí)，微通道C系統(tǒng)中電池溫度為42.2°C，而微通道A系統(tǒng)和C系統(tǒng)中電池最高溫度為41.7°C，比微通道C系統(tǒng)中電池溫度低了0.5°C。圖4-15三種電池組系統(tǒng)最高溫度和最低溫