【《锂离子电池模组液体冷却的CFD仿真计算设计案例》3500字】

锂离子电池模组液体冷却的CFD仿真计算设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u8561锂离子电池模组液体冷却的几何模型与优化分析案例 1157791.1液冷散热系统冷却板几何结构设计 151271.2CFD仿真计算设计 3273581.2.1冷却液材料的选择 319231.2.2锂离子电池模组几何模型的建立 41361.2.3模型的网格划分和边界条件设置 5208171.2.4锂离子电池模组液体冷却模型仿真结果及分析 7290201.3锂离子电池模组液冷散热系统的优化 9184891.3.1锂离子电池模组优化模型的建立 951411.3.2模型的网格划分和边界条件设置 978921.3.3锂离子电池模组液体冷却优化模型仿真结果对比及分析 10216451.4小结 121.1液冷散热系统冷却板几何结构设计冷却液通过冷却板内的流道后将热量带出，本文选用U型流道并通过改变其进出口位置对散热系统进行优化，下面将与另外两种流道结构S型、W型进行对比。（1）U型流道由于锂离子电池群集后排列紧密，中间部位产生的热量特别大，而U型流道的微型扁管结构易于加工，热交换面积大，结构紧凑，质量轻，放置在电池各单元间可以实现高效的散热，适用于高密度的动力电池，结构如图4-1所示。图4-1U型流道结构图（2）S型流道根据U型流道的结构可知，冷却流道与动力电池之间的接触大多是线接触，少数几个则是面接触，为了提高热辐射，增大电池和冷却流道之间的接触面，可以有效地增加散热量，所以，在U型流道的结构基础上，设计了一个S型的流道。但此流道的形状弯曲部位过多，冷却液流经时会对管壁造成很大的冲击，结构如图4-2所示。图4-2S型流道结构图（3）W型流道目前使用最多的流道结构是U型或蛇形流道，但U型或蛇形流道德缺陷在于，冷却液流通的入口和出口位置之间距离较远，且之间存在明显的温度差，入口处的电池温度很低，因为冷却液会吸收很多热量，但是当冷却液到达出口处时，由于之前吸收了大量的热量，自身温度较高，吸收不了多少热量，所以出口处电池温度较高，散热效果较差。为了保持电池的温度均匀性，大多蛇形流道都是采用双向流道，类似“W”的形状，将冷却液进出口位置放在一起，冷却液在流道内部反向回流，避免电池温度出现明显的分层，结构如图4-3所示。图4-3W型流道结构图冷却板放置的位置是由电池夹紧的，冷却板的内部是冷却水流道，因此，选择冷却板时应注意其材料的导热系数和密度。铝的热传导性好，密度小，所以用铝做散热材料，本文采用的铝合金冷却板的长宽高分别为227mm、8mm、151mm，冷却板内流道直径为4mm，并假设其不会因为温度升高而发生变形，其热物性参数如下表4-1所示。表4-1冷却板的参数材料导热系数（）密度（）比热容（）铝合金20227198711.2CFD仿真计算设计1.2.1冷却液材料的选择冷却液是热量传输的媒介，其材料的选择对于锂离子电池液冷散热系统的散热效果的影响很大，理想的冷却液必须具有高的导热系数、不易汽化、热稳定性和绝缘性较好，同时无毒、无污染、不易燃爆等安全性较高的特点，但要寻找到最理想的液态介质，却是非常困难的，本文采用的为乙二醇溶液，并假设其流动时体积不随温度的变化而变化，下表4-2和4-3分别为水和乙二醇溶液的热物性参数。表4-2水的热物性参数温度（℃）导热系数（）密度（）比热容（）粘度00.551999.942121.79100.574999.741911.31200.599998.241831.00300.617995.641740.80400.633992.241740.63表4-3乙二醇溶液的热物性参数温度（℃）导热系数（）密度（）比热容（）粘度-200.3441086.87312622.07-100.3541081.61316512.7400.3641081.0832038.09100.3731077.4632425.5200.3801073.3532813.94300.3871068.7533192.94400.3941063.6633582.26由上表可知水的热物性参数大多满足理想冷却水的条件，且价格低廉获取方式容易，但在低温条件下如零度或零下十几度时，液体水会转变为固体冰，无法进行散热甚至可能损坏零部件。综上，本文采用乙二醇溶液作为冷却液介质，其具体热物性参数如下表4-4所示。表4-4冷却液的相关参数材料导热系数（）密度（）比热容（）粘度乙二醇溶液0.419106534943.151.2.2锂离子电池模组几何模型的建立在纯电动汽车中，大部分动力来源是以电池包的形式显示，电池包再以多个单体电池按序排列成电池模组后组合而成。本文采用8个单体方形电池18排列，单体电池间的间距分别为3mm，电池模组忽略正负极耳的长度后的长宽高尺寸为，冷却板与电池之间相距2mm，模组与外界环境不存在热辐射，其中电池的各热物性参数与上表3-2保持一致，建立的液体冷却模型如图4-1所示。图4-1锂离子电池模组液体冷却模型1.2.3模型的网格划分和边界条件设置将建好的单体锂离子电池模型导入ANSYSWorkbench自带的ICEMCFD软件中进行拓扑，并完成进出口、正负极等各部分的命名，以便于下面边界条件的设置和网格的划分。各部分设置如图4-2所示，完成设置后的得到的模型的网格总数为5955321个，节点总数为998015个，如图4-3所示。图4-2网格设置图4-3电池模组液体冷却模型的网格模型将ICEMCFD划分好的锂离子电池模组液体冷却模型导入Fluent中，进行边界条件和求解器的设置，其热物性参数按上表3-2、4-1和4-3所示进行设置。（1）仿真基本设置根据模型设置重力加速度，并打开能量方程，选择标准的k-epsilon湍流模型。设置冷却液和冷却板等的热物性参数，如图4-4所示。图4-4热物性参数的设置（2）区域和边界条件设置在区域设置2C放电倍率下的正负极耳和内核的生热速率，环境温度和锂离子电池模组的初始温度均设为26℃，冷却板与空气接触面设置对流换热系数为4，设置冷却液的初始温度设为20℃，且其流动速度为2，出口设置为压力出口，其温度为28℃，如图4-5所示，求解控制器方式选择simple算法，压力、动量和能量方程选择二阶迎风格式的离散方程。（a）（b）图4-5边界条件设置1.2.4锂离子电池模组液体冷却模型仿真结果及分析锂离子电池模组的液体冷却系统主要由三个环节组成：（1）锂离子电池与液冷板间的热交换，（2）冷却液与冷却板之间的热交换，（3）冷却板与外部环境之间的热交换，仿真结果如下图4-6和4-7所示。由温度分布云图可知，冷却板中流道的最高温度为21.22℃，最低温度为1912℃，最大温差为2.1℃；冷却板的最高温度为21.29℃，最低温度为20.31℃，最大温差为0.98℃；电池模组的最高温度为33.03℃，最低温度为16.9℃，最大温差为16.13℃。综上，该流道结构的入口处压力最大，进出口之间的压力差也较大，且压力分布不均；虽然采用此种结构进行散热后，电池模组的最高温度得到大幅降低，但冷却板进口处温度明显高于出口处，温度分布不均，且电池模组未达到最低温度，其温度均匀性有待提高。（a）冷却液速度分布图（b）压力分布图（c）冷却板流道截面的温度分布云图图4-6冷却板流道仿真结果（a）（b）图4-7冷却板及电池模组的温度云图1.3锂离子电池模组液冷散热系统的优化1.3.1锂离子电池模组优化模型的建立为了改善电池模组温度的均匀性，对流道的分布结构进行了优化。采用了串并行相结合的流道结构，并改变了进出口的位置，其基本热物性参数与上述结构的参数基本一致，建立的优化模型如图4-8所示。图4-8锂离子电池模组液体冷却优化模型1.3.2模型的网格划分和边界条件设置将建好的单体锂离子电池模型导入ANSYSWorkbench自带的ICEMCFD软件中进行拓扑，完成各部分的命名后进行网格的划分，各部分设置如图4-9所示，完成设置后的得到的模型的网格总数为7895355个，节点总数为1331265个，如图4-10所示，均多于上述U型流道结构。图4-9网格设置图4-10电池模组液体冷却优化模型的网格模型将ICEMCFD划分好的锂离子电池模组液体冷却优化模型导入Fluent中，进行边界条件和求解器的设置，根据模型设置重力加速度在Y的方向上为-9.8，其他条件和上述方案相同，锂离子电池均在2C放电倍率下进行工作。1.3.3锂离子电池模组液体冷却优化模型仿真结果对比及分析仿真结果如下图4-11和4-12所示。冷却板中流道的最高温度为21℃，最低温度为18.69℃，最大温差为2.31℃；冷却板的最高温度为21.09℃，最低温度为19.9℃，最大温差为1.19℃；电池模组的最高温度为32.81℃，最低温度为20.75℃，最大温差为12.06℃。（a）冷却液速度分布图（b）压力分布图（c）冷却板流道截面的温度分布云图图4-11冷却板流道仿真结果（a）（b）图4-12冷却板及电池模组的温度云图从以下几个方面进行结果对比：（1）冷却液流速：由于流道数量较多，故采用平均流速作为比较标准。优化前的冷却液流速最快为3.72，但流道弯曲处的流速较低，流量分配不均匀。而优化后的流道结构平均流速为3.63，流道内的流动阻力大小基本相同，速度分配较均匀。（2）流道的压力：虽然优化前后的模型均为入口处压力最大，出口处压力最小，但优化后的模型的两并联流道的压力分配更均匀，安全性较好。（3）温度：根据温度分布云图可知，两种流道结构的最高温度相差较小，但优化前的模型的温差大于优化后的模型。优化后的模型的流道和冷却板的温度分布较为均衡，且液冷板达到最低温度，整个电池模组的散热效果好。综上，优化后的模型的散热效果好，不仅改善了动力电池的温度均匀性，还