大功率lifepo4动力电池组散热性能分析

大功率lifepo4动力电池组散热性能分析

0电池热管理系统能源危机和环境污染日益突出。近年来，电动汽车的主要优势是低能耗和零排放。电动汽车的整车性能主要受动力电池的影响:一方面电池模块温度过高,局部温差过大均会降低电池循环寿命与动力性能;另一方面,电动汽车在高功率运行时,放电电流增大,电池产生大量热量会引发热失控,造成安全事故。为了提升电池寿命,避免热安全事故,必须设计合理的电池热管理系统,保证电池在合适的温度下运行,同时提升电池模块的热均匀性。采用空气冷却的电池热管理系统结构简单、设计容易、制造成本低、结构紧凑、利于整车设计,因而仍是许多汽车生产商的实际选择方法。近年来,Mahamud等设计了一种基于空气周期性往复流动的圆柱形LiMn2O4电池组热管理方法,并用二维数值模拟和集中参数模型法进行研究。Park设计了基于空气冷却方形电池组的流动通道,并采用热阻分析模型与数值模拟相结合的方法对比研究了几种方案的可行性。Giuliano等设计制造了基于泡沫金属作为热交换板的空气冷却方形锂钛电池热管理模型,用实验的手段研究了在一定范围放电电流下两种空气流量时的散热性能。为了研究大功率动力电池组散热性能,本文采用数值模拟的方法,建立了大功率非均匀产热动力电池组散热三维模型,模拟分析了基于空气单向流动冷却和往复流动冷却的LiFePO4动力电池组(4×6)的散热性能。1电池单体模型基于空气冷却的大功率动力电池热管理系统如图1所示,电池模块内含24个单体电池,单体电池采用42110型磷酸铁锂(LiFePO4)动力电池,标称容量为10A·h。图1c和1d分别表示模型的电池模块和网格划分结果。电池模块电压为38V(12S×2P:S,串联;P,并联),容量为20A·h。模拟分为三个部分,首先是单体电池产热特性分析和电池正负极交叉排列的影响,其次是不同入口流速和角度时的强迫对流冷却下电池组的散热性能,最后研究空气入口和出口交替变换时电池组散热性能。其中重要的模拟参数分别为:环境温度298.15K,电池单体的比热容1100J·kg-1·K-1,为了更加符合实际,电池单体的径向导热系数取0.8W·m-1·K-1,轴向和切向导热系数取27W·m-1·K-1,外壳与周围环境的对流换热系数5W·m-2·K-1。在对单体电池模型进行传热分析之前,对模型进行了6种不同数量(11100、39900、159600、216125、356100、748125)的网格划分,分别计算总表面热流量和表面传热系数,从图2可以看出,网格数量为216125和359100时,计算结果相差很小,可以认为得到网格独立解,对电池组也进行了类似的网格独立解分析。本文也对步长无关解进行了分析,选定步长为3s。2计算与分析2.1电池的产热特性在之前的实验测定中,单体电池5C放电时,正负极温差最高达到12℃左右,电池表面最高温度达到89.79℃(362.94K),其中超过50℃的时间为620s。图3中黑色的曲线反映了电池单体5C放电时,实验测试的正极、中部和负极表面的温度随时间变化的情况。为了研究正负极温差对电池模块最高温度和局部温差的影响,本文借助于Fluent中的UDF功能,编写符合电池单体产热规律的用户自定义函数,拟合结果与实际符合较好,如图3中红色的曲线所示。拟合后的热源经过UDF编译后作为电池组中每一个单体的热源。接下来模拟了图1b(正负极单排,简称same)和图1c(正负极叉排,简称cross)两种情况下电池组5C放电时的产热特性。图4反映了入口风速(v)为2m/s时两种排列方式电池组的最高温度和局部温差。从图4可知,在第840s时,叉排和单排电池组的最高温度分别为336.47K和337.07K,局部温差分别为31.74K和32.32K,可见叉排的最高温度和局部温差均比单排时低0.6K左右。出现这种现象是因为正负极单排时电池组正极平均温度大于负极,且不同行之间正极的温度梯度小于正负极叉排时不同行之间的情况,因而电池与流动空气的热交换量低于叉排时,因此,对于大功率电池正负极产热不均匀的情况,为了降低电池模块部位局部温度,电池采用正负极交叉式排列组合是必要的。在接下来的研究中,电池均采用正负极交叉式排列组合。2.2入口温度和局部高差在空气强迫对流冷却状态下,选定电池模块内部各电池单体均采用5C(50A)倍率恒流放电,入口风速分别选定0.2m/s、0.5m/s、0.8m/s、1m/s和2m/s。图5反映了不同入口风速时电池模块最高温度(图5a)和局部温差(图5b)随时间的变化情况。总体来看,两者均随时间增加而上升,但在前300s,不同风速下的最高温度相差很小,之后差别逐渐增加;在前100s,不同风速下的局部温差相差很小,之后差别逐渐增加;630s之后,风速为2m/s时的局部温差开始小于风速为1m/s时的局部温差,放电结束时,风速为2m/s时的局部温差甚至小于风速为0.8m/s时的局部温差。当v=0.2m/s放电结束时,电池组的最高温度和局部温差分别为344.09K和24.98K;随着风速的增加,当v=0.8m/s放电结束时,电池组的最高温度和局部温差分别为341.73K和32.04K;当v=1m/s放电结束时,电池组的最高温度和局部温差分别为340.86K和32.95K;当v=2m/s放电结束时,电池组的最高温度和局部温差分别为336.47K和31.74K。不难看出,随着风速增加,电池组最高温度逐渐降低,局部温差呈现先增加然后降低趋势。图6是v=0.5m/s时电池组5C放电结束时的温度分布云图,可见远离入口处的温度相对较高,电池正极部分的温度明显高于负极,比较符合实际情况。入口角度是影响电池模块温度的重要因素之一,在模拟中,设定入口角度和出口角度大小一致。接下来研究两种入口角度(10o和15o)、三种入口风速(0.5m/s、1m/s和2m/s)下电池组的温度分布情况。从图7可以得知,v=0.5m/s放电结束时,α=15o比α=10o的最高温度低0.97K,局部温差几乎相等;v=1m/s放电结束时,α=15o比α=10o的最高温度和局部温差分别低2.17K和1.46K;v=2m/s放电结束时,α=15o比α=10o的最高温度和局部温差分别低3.33K和2.24K。随着入口风速的增大,角度大小对散热性能的影响增大。因为当风速不变、角度增加时,空气流量增加,单位体积空气吸收热量减少,空气温度下降,电池与空气之间的温差增大,散热能力增强。风速较小时,对流换热系数较小,空气的吸热量少导致温升小,增大入口角度后,空气流量增加,空气温升进一步减小不明显,总散热量变化不大,因而最高温度和局部温差变化不明显;相反,风速较大时,对流换热系数较大,空气的吸热量多导致温升大,增大入口角度后,空气流量增加,空气温升减小程度明显,进一步增加传热量。为了提升散热效率和节约空间,需要选择合理的入口角度和风速。2.3电池局部降温为了减小电池组的温差,本文在前面基础上尝试周期性地交换空气入口和出口,风速选定2m/s,半周期为210s,模拟的过程中监测6个特殊电池的最高温度,以及整个电池组的最高温度和局部温差。图8a显示了6个电池最高温度随时间的变化情况,其中17号电池的最高温度波动比较明显,说明往复通风时,通过8号和17号电池周围的空气流量和速度较大,因而换热系数较大。在第一个半周期内,6个电池温升趋势相同,因为电池温升较低,进而电池与空气温差较低,各个电池单体的强制对流换热量几乎相同;在第二个半周期,流动方向相反,17号电池与空气的换热系数高,温升较其它几个电池缓慢;进入第三个半周期,空气对17号电池的冷却效果减弱,该电池温升速度加快;进入第四个半周期,空气对17号电池的冷却效果又增强,该电池最高温度呈下降趋势。往复通风对其它5个电池的最高温度影响不明显。图8b表示风速为2m/s,半周期为210s往复通风时,整个电池组最高温度和局部温差随时间变化情况,其中蓝色线和红色线分别表示风速为2m/s单向通风和往复通风时的局部温差曲线。随着入口出口交替变换,局部温差曲线在单向通风时的局部温差曲线附近随半周期出现波动趋势,总体上是随时间而增大,局部温差超过单向通风时的局部温差的时间超过300s,并且最终局部温差上升3K左右,这说明周期较大时的往复通风方式不利于减小电池组局部温差,甚至增加局部温差。3电池模块的局部误差本文建立了大功率非均匀产热电动汽车动力电池组的3D散热模型,对系统的传热特性进行了研究,主要结论如下:(1)对于大功率电池正负极产热不均匀的情况,为了降低电池模块的局部温差,