【《不同冷却条件下顺序排列电池组的热特性分析》3800字】

不同冷却条件下顺序排列电池组的热特性分析目录TOC\o"1-3"\h\u8794不同冷却条件下顺序排列电池组的热特性分析 1286351.1放电倍率对电池组温度分布的影响 158511.2冷却空气流速对电池组温度分布的影响 4115221.3不同空气温度对电池组温度场的影响 6235571.4电池前后间距对电池组温度分布的影响 8在实际工程中，单体锂离子电池通常会被以串联或并联的方式布置成电池组，并由电池组的形式向电动汽车提供电能。为提高电动汽车的续航里程，需要在有限的空间中布置更多的电池，这就要求在放置电池组的箱体中将电池布置的十分紧凑。从本文3.4节中可知，当电池以较高的放电倍率工作时，其内部会有很多的热量产生，并且由于电池组布置十分紧凑，非常不利于向外界传递电池放电所生成的热量，所以箱体中的电池温度会快速升高，继而会导致不同电池之间的温差逐渐加大。如果箱体中电池的工作状态长时间处在极端情况下，其工作性能和工作寿命都会受到很大影响，甚至有可能会导致热失控。因此，探究锂离子电池组在不同冷却条件下的热特性就显得尤为重要。放电倍率对电池组温度分布的影响本节里选择16个磷酸铁锂电池为一组，电池组按照进行排布，电池前后间距为14mm（即两电池中心距为52mm），箱体入口的空气流速为，在此基础上探究电池放电倍率对电池组温度场的影响。本节里仍选择采用Icem对电池组进行三维的几何模型建立。具体三维几何模型如图4-1所示图4-1电池组三维几何模型电池组的三维几何模型建立完成后，接下来便是利用Icem对几何模型进行网格的划分，网格模型如图4-2所示。网格划分结束后，从Icem软件中读取所划分的六面体网格的具体数量为3510520个并且其网格质量均大于0.7较为符合计算精度。图4-2电池组网格模型将划分好的网格模型导入FLUENT软件中，电池的热物性参数以及其产热功率均与可参考上文3.3.2节。表4-1给出了仿真时冷却空气的物性参数。表4-1常温（25℃）下空气的具体物性物性参数密度动力粘度导热系数比热容数值1.2931.847×10-50.26031003.62针对流体湍流模型的选择，一般根据雷诺数进行判断。当雷诺数Re≤2300时，判断流动状态为层流；当雷诺数2300≤Re≤5000时，判断流动状态为过渡态，即为层流与湍流的混合状态；而当雷诺数Re≥5000时，则判断流动状态为湍流。雷诺数的具体计算公式如下式所示：（4-1）式中，Re是雷诺数；是流体的密度，单位为；u是流体的平均速度，单位为；d是流体运动的特征长度，单位为m；是流体的动力粘度，单位为。经计算可得电池组流道的特征长度为0.078m，外加上电池组强制对流空气的速度为1ms，代入式（4-1）得其雷诺数Re=5460，而5460>5000，故该电池组内的流动状态为湍流。所有在本章中选择高雷诺数的标准湍流模型。经过Fluent仿真计算之后，可以得到不同放电倍率下的电池组表面温度分布云图，具体图像如下所示：1C(b)2C(C)3C图4-3不同放电倍率下电池组表面温度云图由不同放电倍率下电池组表面温度分布云图可得，电池组从风道入口到风道出口表面温度逐渐升高，且迎风面的电池表面温度明显比背风面的温度要低，而且每个电池的温度都呈现出从中心向外界逐渐降低的趋势。根据Fluent中导出的各电池表面平均温度，可以做出随风向电池表面平均温度变化的折线图，电池从进风口到出风口依次标记为1到8号电池，其具体如图4-4所示，而电池组内在不同放电倍率下具体的的最高温度以及最大温差则如表4-2中所示。表4-2电池组在不同放电倍率下的最高温度与最大温差电池放电倍率/C123最大温差/K2.48396.052710.7061最高温度/K303.7409311.7736322.2478图4-4在不同放电倍率下随风向的电池表面平均温度折线图从表4-2与图4-4中可以看出，随电池放电倍率的增加，电池组整体的温度与最大温差也会随着电池放电倍率的增大而明显增加。除此以外，还可以看出电池组整体的温度差也会随着放电倍率的增加而逐渐变大。电池的产热量会随着电池放电倍率的增大而增大，因此电池组整体的温度也会随着放电倍率的增大而发生明显的增加。至于电池组整体的温度差的增加，在相当程度上，不利于电池组的正常运行，该温差会随着电池组充放电的进行不断扩大，进而影响到电池组的正常工作，因此需要在高放电倍率的情况下加大散热气体流速、或者改进散热方法以加强换热的进行，进而降低电池组整体的温差，使电池组始终能够保持正常运行。冷却空气流速对电池组温度分布的影响电池组在控制电池放电倍率、电池间距不变以及环境温度不变的情况下，探究冷却流体风速对电池组整体温度分布。为较好的探究电池组整体温度分布随冷却流体风速的变化规律，本文选择在高放电倍率，中等电池间距的情况下进行探究，则是因为该工况下电池组整体温度较高，所出现的温度上的变化会较为明显比较容易观察。因此本节中选择控制电池放电倍率为3C，电池间距为14mm，分别对流体风速为0.5m/s、1m/s、1.5m/s、2m/s以及2.5m/s进行仿真计算。其计算后的电池组表面温度分布云图如下图所示：冷却空气流速为0.5m/s(b)冷却空气流速为1.0m/s冷却空气流速为1.5m/s(d)冷却空气流速为2.0m/s(e)冷却空气流速为2.5m/s图4-5不同冷却空气流速下电池组表面温度分布云图由电池组表面温度分布云图可得，随着冷却流体风速的不断增加，电池组整体的温度会跟着不断地降低，而且电池组的温差也会发生一定程度上的减小。因此，可以认为冷却流体流速的增加，会增强电池组的散热过程，使电池组整体的温度降低，而且还会提高温度分布的均匀性，有利于电池组在高放电倍率工况下的正常运行。该现象同样可以通过每电池表面平均温度做出的折线图观察出，其具体如图4-6所示。将Fluent中数据导出，还可以得到电池组在不同风速下的最高温度与最大温差，具体则如表4-3中所示。从表4-3中可以看出随着风速的不断增大，电池组内的最高温度与最大温差在不断的减小，这符合随着风速增大，电池组散热增强的特征。但是随着电池组内冷却风速的不断增加，其在电池组内流动的风阻也会快速增大，考虑到增加冷却流体速度会在加强电池组散热的同时也会加大流道风阻，进而增加电池组散热系统的功耗。因此在设计电池组散热系统时也需要对冷却流体速度进行综合性的考虑，过大的风速会导致过高的风速，而过小的风速又会散热不足影响电池组的正常工作，在每个工况中找到一个冷却流体速度的平衡点对电池组散热系统的设计来讲尤为重要。表4-3电池组在不同风速下的最高温度与最大温差风速/0.51.01.52.02.5最大温差/K10.70613.34712.33041.81191.5998最高温度/K322.2478313.5766310.6847307.8877306.7204图4-6在不同流体速度下随风向的电池表面平均温度折线图不同空气温度对电池组温度场的影响电池组在控制电池放电倍率、电池间距不变以及冷却空气流速的情况下，探究空气温度对电池组整体温度分布。为较好的探究电池组整体温度分布随冷却流体风速的变化规律，本文选择在高放电倍率，中等电池间距的情况下进行探究，则是因为该工况下电池组整体温度较高，所出现的温度上的变化会较为明显比较容易观察。因此本节中选择控制电池放电倍率为3C，电池间距为14mm，分别对空气温度为20℃、25℃、30℃、35℃以及40℃进行仿真计算。其计算后的电池组表面温度分布云图如下图所示：空气温度为20℃（b）空气温度为25℃（c）空气温度为30℃(d)空气温度为35℃（e）空气温度为40℃图4-7不同空气温度下电池组表面温度分布云图通过对不同空气温度条件下电池温度表面温度分布云图进行分析，可以发现随着空气的温度的不断提升，电池表面的温度明显发生提升，但其高温区与低温区的分布依旧保持相似。电池组内的最大温差与最高温度可以通过计算得出，具体如表4-4所示。不同空气温度下，电池表面平均温度随电池编号的曲线图，具体如图4-8所示。结合表4-4与图4-8可以印证由温度云图得出的结果，除此以外还可以发现，随着空气温度的逐渐提升，电池表面的平均温差却没有发生改变，电池组仍具有着较好的温度一致性。表4-4电池组在不同空气温度下的最高温度与最大温差空气温度/℃2025303540最大温差/K3.34713.34713.34713.34713.3471最高温度/K308.5766313.5766318.5766323.5766328.5766图4-8在不同流体温度下随风向的电池表面平均温度折线图电池前后间距对电池组温度分布的影响电池组在控制电池放电倍率、流场风速不变以及环境温度不变的情况下，探究电池前后间距对电池组整体温度分布，具体的电池前后间距如图4-9所示。为较好的探究电池组整体温度分布随电池间距的变化规律，本文选择在高放电倍率，低流速的情况下进行探究，则是因为该工况下电池组整体温度较高，如出现温度上的变化会较为明显比较容易观察。因此本节中选择控制电池放电倍率为3C，冷却流体流速为0.5ms图4-9电池前后间距示意图（a）电池间距为8mm(b)电池间距为10mm电池间距14mm(d)电池间距18mm图4-10不同电池间距时电池表面温度云图从电池组表面温度分布云图中可以看出，依旧存在着电池组从风道入口到风道出口表面温度逐渐升高，且迎风面的电池表面温度明显比背风面的温度要低，而且每个电池的温度都呈现出从中心向外界逐渐降低的趋势。而且可以发现随着电池间距的不断增大，电池组整体的温度也在不断的提高。该现象发生应该是随着电池间距的逐渐增大，电池内部的空间不断拓宽，在冷却流体流量一定的情况下，其在电池组内的流速便会降低，因此将会导致电池组与冷却流体间的换热减弱，进而导致电池组整体的温度随之上升。该现象同样可以通过每电池表面平均温度分析做出的折线图与表