【《特斯拉Model-s电动汽车的电池组热管理系统的设计与仿真分析案例》3000字（论文）】

第PAGEI页特斯拉Model-s电动汽车的电池组热管理系统的设计与仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u1672特斯拉Model-s电动汽车的电池组热管理系统的设计与仿真分析案例 149911.1电池组温度场仿真分析 1268811.1.1锂离子电池组建模 1303261.1.2网格划分 2231921.1.3参数和边界条件 395711.2无冷却下电池组散热情况 3187811.3电池组热管理系统的结构设计与仿真 5211341.4不同冷却液流量对散热效果的影响 843641.5不同放电倍率对散热效果的影响 101.1电池组温度场仿真分析本文通过研究简化特斯拉Model-s电动汽车的电池组，在实际运用中，Model-s的电池组是由7140节18650型锂离子电池组组成，它们再通过拆分分为以444为一组的16组电池组电池组之间都是通过串联连接。由于这么多的电池组合在一起，所以它们之间一定会因为散热等问题产生热量。因此在实际运用中对电池组进行有效的热管理系统是必须的。1.1.1锂离子电池组建模本文选择了研究一个电池组,其包括九十六节电池,将它们以八*十二的排列方式通过成串并联和交错的方法结合到一起,并规定在每节电池之间分隔为两毫米,最后再在电池外面增加了一个壳,电池被包围在里面并通过设定一个能够让液体自由流通的区域，来达到应液体流动的方式进行降温。在建模过程中我们要对电池进行简化，忽略电池的内部结构。在完成电池组的模型建立后，就需要建立外壳并设计液体流动区域，针对电池组的模型结构，可以设计一个外壳尺寸为：70×190×275mm图5-1电池组整体模型1.1.2网格划分在完成建模后，使用GAMBIT软件对模型进行网格划分。因为当用正四面体网格划分时,在通过不断的增加网格面积的过程中网格的数量也相应增多,导致了计算数增加;当用正六面体网格分割时,就需要我们使用手动划分进行修改，其操作过于复杂。所以我们先对模型进行简化，在保持热源和散热的情况下达到效果。将整个电池组简化为一个立方体的模型，在它的内部建立一个同样比例的立方体热源，保持电池组以外的模型，最终的模型如下图5-2所示。并使用四面体网格划分，减少仿真时的迭代次数且保证它的计算精度。图5-2网格模型1.1.3参数和边界条件本章在仿真时均在1C的放电倍率下进行，冷却液的物理参数如下图5-3所示。图5-3冷却液物理参数在模拟过程中出现了流固耦合,所以需要对相互耦合的边界加以设定,同时设置系统的最大自由对流系数为0.5W/m.k。1.2无冷却下电池组散热情况首先通过模拟电池组在没有冷却系统下的情况，以电池组在1C的放电倍率工作时,得到动力电池组的工作温度分布图。在电池组热源所处环境温度的最高点的环境温度约为312.5K如图5-4所示,动力电池表面最高温度为311.2K,而动力电池表层的最低温度则为306.3K如图5-5所示。本次模拟是在电池组没有使用冷却装置的情况下，也就是毫无冷却液体流出的状况下。动力电池组在进行了一段时间的热释放后,得到了动力电池内的温度分布。由此可知，电池组在没有冷却装置的情况下，它的温度得不到有效的控制导致会持续升高，在这种情况下可能会导致电池组的热失控，温度过高还会影响它的使用性能。图5-4热源处最高温部分图5-5电池表面处最高温和最低温1.3电池组热管理系统的结构设计与仿真根据前面对的仿真可以得到，电池组在没有冷却系统，保持在自然对流的情况下，经过一定的工作时间后，电池组内部热源温度最高可以达到312.6K，这已经大大超过了锂电池的最佳工作温度区间。所以,电池组在没有冷却系统的状况下也会出现热积聚等问题,所以合理的电池热管理也是必要的。所以为了使电池组能够在正常工作温度范围，那就要为电池组增加一个液体冷却系统,并且通过比较不同放电倍率和流量的工作情况得出他们的温度分布图，然后加以分析。通过对前面一章微通道的研究知道了S型通道的特性很好,于是就确定了S型的排列形式,将出入口放在电池组的两边，并且以斜对角线的方法作为进出口形式完成了模拟。（1）湍流模型的选择首先对电池组的散热系统进行假设,然后在对湍流模式下做出选择。假设如下：冷却板不会因为任何原因而变形；流体表面和固体接触面的摩擦力无限大;只考虑电池组内部换热；流体无惯性力及边界压力。根据这些假定,我们还需要对模型中是否选择了湍流作出推测。通过流体力学的知识我们能够得出,推断为湍流或层流的重要标准来自于体系雷诺数的大小以及能否达到临界点,若超过为湍流,反之则为层流。体系雷诺数的计算方法如下: Re=VLv式中，L为特征长度，单位为m；v为流体的运动粘度系数，单位为m2/s；μ为流体的动力粘度系数，单位为kg/(m∙s)，计算方法如下： μ=μ0式中，μ0表示流体的动力粘度系数且是在一个标准大气压下0摄氏度时，其余项皆为常数。Ts为124K，T0通过计算得出冷却液是以湍流的方式流动。图5-6为Fluent中选择的湍流模型。图5-6湍流模型的选择（2）计算方法及欠松弛因子的选择在电池组的发热过程中整个过程属于耦合传热，所以我们选择本SIMPLE算法，如图5-7所示，并且对欠松弛因子进行设置，防止它收敛速度过快，来提高计算的准确性。图5-7求解操纵器方式的选择图5-8欠松弛因子的设置（3）边界条件的设置对出入口边界，壁面边界，耦合边界等均做出设置，使得仿真的结果相同。入口边界将它定义为质量流量入口且初始流量设置为0.03kg/s。将出口边界定义为压力输出边界。壁面边界是将冷却板的边界及内热源均设置为壁面边界，壁面温度常温，对流换热系数0.5W/m∙k。耦合边界是固体与液体之间进行热量传递，软件会自动进行耦合。1.4不同冷却液流量对散热效果的影响冷却液不同的入口流量也会对电池组的工作温度产生改变,故本节中通过以三个不同冷却液的流量为对比,分别为0.003、0.03、0.3（单位为kg/s），同时为了提高仿真的明显性，本次仿真选择在3C放电倍率下的情况对电池组进行仿真。仿真得出的温度分布图如下所示：图5-9流量为0.003kg/s时的温度分布图图5-10流量为0.03kg/s时的温度分布图图5-11流量为0.3kg/s时的温度分布图表5-1不同流量时的电池组温度分布0.003kg/s0.03kg/s0.3kg/s电池表面最高温度306.0304.1302.9电池表面最低温度302.0300.4299.9电池内部最高温度310.1307.7301.5由上表可知在相同的放电倍率的情况下，冷却液体的流量大，它的散热效果就越好，在达到充分散热后，入口流量越大的散热效果就越明显，可以使电池的温度降低到正常工作温度范围。并且在达到一定的流量后，它的降温效果就会表现的不是很明显。由此可以得到随着冷却液的流量的增大，它的最高温度逐渐降低，三种不同流量之间的最高温度差为3.1K，所以冷却液入口流量的增加有利于对流传热，同时也提高了它的降温效果。1.5不同放电倍率对散热效果的影响在动力电池热管理系统中，不同的工作情况会影响电池的温度。通过研究电池的产热原理和传热特点可以知道,电池是由不同的温度环境和电池的加热特点在二者共同的影响下,形成了温度的转变。所以,不同的温度都会引起电池工作温度的改变;而电池的产温则是由电池的不同放电倍率所影响,在同样的温度下,越大的放电倍率就会提高电池的升温速率。本节通过研究1C、2C、3C三种不同放电倍率情况下的电池组发热情况，以冷却液流量相同为0.03kg/s。仿真得出的温度分布图如下所示：图5-122c放电倍率电池内部温度分布图图5-133c放电倍率电池内部温度分布图表5-2不同放电倍率时的电池温度分布1C放电倍率2C放电倍率3C放电倍率电池内部最高温度303.8301.9308.0电池表面最高温度301.9302.9304.0电池表面最低温度300.