【《锂离子电池散热性能分析概述》3100字】

锂离子电池散热性能研究概述目录TOC\o"1-3"\h\u9255锂离子电池散热性能研究概述 125881.1电池组几何模型的建立 1257161.2电池模组网格划分 3156681.3电池模组仿真分析 31.1电池组几何模型的建立事实上，电动汽车电源是由上千块单体电池串联和并联组成。在锂离子电池组比较大倍率放电工作进程中，因为有电池盒的阻隔，所以存在电池内部的热没有办法在最快的时间散发到外界环境中去，因此导致电池组的温度会随时间不断的升高。除此之外，因为每一个单体电池的温度不一样，锂离子电池还会因为电池间温度的不均匀性影响。无法完全将电池的整体性能表达出来。当电池表面温度过高或电池间温差过大时，电池就会有热失控的可能，存在很大的隐患。综上所述，电池的这些不安全因素对司机和乘坐人生命安全有很大的威胁。所以，对锂离子电池的散热情况需要进一步优化改进。在电动汽车中，锂离子电池主要有三种排布方式，分别是串行排列、叉行排列和梯形排列。如图4-1所示。（a）串行排列（b）叉行排列（c）梯形排列图4-1电池主要排列方式锂离子电池的串行排列布局相对另外的布局来说是最简单的，因为它结构简单，而且对电池的整体结构要求不高，造价低。但是这种串联式的安排，并没有过多地利用电池仓的空间。因此，串联排列一般用于功率小、续航时间短的纯电动车上。在叉式的布局中，因为各个电池间的间隙布置的很小，虽然减小了空间，但是这样使电池对电池组的整体结构的要求相应的升高了。梯形布局相比前面两种布局而言，它的造价相对较高，但因为梯形的流道比较适合电池散热，对电池的散热性能有很大的提高，每一个单体电池之间的温度差值是相当小的，这样就提升了各单体电池综合性能的一体性，减小了对电池组的损坏。但由于课题研究的时间和条件的限制，本课题不对梯形排列电池进行研究。在现有的液冷散热中，大多数人在构建电池几何模型时，会省略电池两电极间冷却介质对电池组散热的影响进行分析。但在电池组的工作过程中，各个单体电池之间、电池两极与电池外壳不是紧挨着的，有一定的间隙，因此，在液冷过程中，电池两极是有冷却介质活动的。在本课题中，根据经济性分析，我采用串行排列电池进行分析，主要是在不同电流和不同流速的电池仿真分析中得出散热最优的电池模组，锂离子电池模组工作的主要热量来源是导热的udf。另外，其冷却板壁厚、通电方式等都看作相同，并将其看作理想化，不作考虑，以下不做赘述。本课题建立的电池模组几何模型适当简化了实际电池模组模型，对电池模组冷却结构、接线组件等一些附件是不进行考虑的，所以模型在简化后只包括16个单体电池，为了散热模式具有对比性，所有仿真都用此几何模型，如图4-2所示。图4-2锂离子电池模组几何模型1.2电池模组网格划分在本课题建立的锂离子电池组的几何模型的基础上，仿照相似的单体电池的网格划分的处理方法，将建好的锂离子电池模组模型导入ANSYS自带的mesh软件中进行电池模组模型的网格划分，整个模组模型共有168361个体网格，92203个各节点，可以从电池模组的网格场景，看到进行网格划分后，网格划分质量较好，如果网格模型的质量越高，对后期的计算结果的准确性就有越大的保证。图4-2锂离子电池模组网格划分1.3电池模组仿真分析将电池模型网格划分后，将划分好的模型导入Fluent中进行边界条件及其他相关参数的设置。对锂离子电池模组的参数和仿真进行设置，电池壁面和液体<水>的对流换热系数根据经验设置为10W/m²·K,在保证其他仿真参数不变的情况下，工作环境温度设置为25摄氏度，液体的初始化温度也设置为25摄氏度，将编译好的UDF文件导入Fluent后加载到电池模组内，然后通过加载计算得到生热速率。之后选择couple算法进行求解，再对整个流场进行初始化，瞬态计算中设定迭代周期为500s，每一个迭代周期的迭代次数为20次。假设锂离子电池、液冷板和冷却液的主要参数不会因为温度的改变而发生改变，最后进行了锂离子电池模组在电流为2A、3A、4A、5A下的温度场仿真计算。本课题仿真做了0.06m/s、0.08m/s、0.1m/s三种流速下的2A、3A、4A、5A电流的电池模组仿真。其工作环境温度和2A、3A、4A、5A的电流下的生热速率连接到整个电池模组里面，得到该环境温度下对应2A、3A、4A、5A电流下的电池模组温度场仿真云图如图4-3、图4-4和图4-5。从仿真结果的三组云图中可以看出，在任意流速下，电池模组的出水口截面的温度都是整个电池模组温度最高的位置，基于本课题研究目的，为了更加了解液体冷却相较于一般的锂离子电池模组散热方式，我单独做了一个相同锂离子电池模组在自然环境中散热云图，如图4-6，从云图中看出锂离子电池模组内部温度普遍高于外部，散热效果较差。对比其缺点，然后对其各种不足的地方做相应的优化，当液体从进口流向出口，就会带走大部分电池释放的热量，但是当液体流到出口的时候，液体已经有较高的温度了，所以电池模组出口温度会普遍高一点，结合表4-7电池模组的最高温度为32.57℃，最低温度为25.27℃，最大温差为3.39℃。在纯电动汽车的整车电池热管理系统中，液冷系统的冷却液温度的升高对整车空气散热器的负荷和能耗是有很大影响的，所以对于单个电池模组冷却单元的液冷板的温升及温差研究是有相当重大而深远的意义。由图4-3、图4-4、图4-5可以看出，整个电池模组的温度分布表现为冷却液出口侧温度要高出入口侧的温度许多，且由于冷却板的存在，电池模组的侧面普遍低于中部区域温度，最高温度出现在电池模组的出口侧，最低温度出现在进口。总体来看，采用本课题设计的冷却液流过电池模组后，携带电池热量达到散热效果的电池模组液冷散热方案后，电池模组的最高温度明显降低了很多，温度的均衡性也有了显著的改善，基本满足电池模组的冷却要求。但是电池模组的高、低温区差异明显，出水口的高温区面积较大，整个锂离子电池模组的最大温差依然较大，出水口截面的高温比较明显，所以电池模组的温度均衡性还是有很大的提升空间。（a）2A (b)3A (c)4A (d)5A图4-3液体流速为0.06m/s下不同电流的电池模组温度分布云图 （a）2A (b)3A (c)4A (d)5A图4-4液体流速为0.08m/s下不同电流的电池模组温度分布云图 (a)2A (b)3A (c)4A (d)5A图4-5液体流速为0.1m/s下不同电流的电池模组温度分布云图图4-6在自然环境下电池模组散热云图从整体的温升云图来看，进水口温度最低，即为工作环境温度25摄氏度，出水口高温区面积最大，温度最高。从电池模组内部温度场不难看出，温度由电池模组进水口向出水口逐渐递增。由仿真结果获取的电池模组温度场数据如表4-3、表4-4、表4-5和表4-6所示。三组流速的仿真均在相同环境温度下进行，在流速为0.06m/s时，不同电流下的最大温度逐渐升高，但是上升的温度相差较小，上升线条较为平缓；在流速为0.08m/s时，不同电流下的最大温度也是上升的，但是线条较陡；在流速为0.1m/s时，不同电流下的最大温度上升，较前两者而言，处于中间状态。而在三组流速中，流速0.08m/s下电流为2A的电池模组的最大温度为25.88℃，温差为0.5℃，相对于其他组而言，散热性能是最佳的。 表4-3流速为0.06m/s下不同电流的电池模组温度温度数据对比 温度/℃电流/AMAXMIN温差2A25.4825.270.213A25.7325.360.364A26.0325.470.565A26.3925.610.78图4-7流速为0.06m/s下不同电流的电池模组最大温度和最小温度的折线图图4-8流速为0.06m/s下不同电流的电池模组温差的折线图表4-4流速为0.08m/s下不同电流的电池模组温度温度数据对比 温度/℃电流/AMAXMIN温差2A25.8825.380.53A28.7827.561.214A3228.623.385A32.5728.773.8图4-9流速为0.08m/s下不同电流的电池模组最大温度和最小温度的折线图图4-10流速为0.08m/s下不同电流的电池模组温差的折线图表4-5流速为0.1m/s下不同电流的电池模组温度温度数据对比 温度/℃电流/AMAXMIN温差2A27.2627.080.173A27.8527.260.594A30.2227.992.225A31.928.513.39图4-11流速为0.08m/s下不同电流的电池模组最大温度和最小温度的折线图图4-12流速为0.08m/s下不同电流的电池模组温差的折线图表4-6三种流速下不同电流的电池模组温度温度数据对比 温度/℃电流/AMAXMIN温差2A25.4825.270.213A25.7325.360.364A26.0325.470.565A26.3925.610.782A0.0825