电动汽车动力电池液流换热板换热特性的数值分析.pdf

Automobile Parts 2023.06001Numerical Analysis of Heat Transfer Characteristics ofFluid Flow Heat Exchanger Plate for Electric Vehicle Power Battery电动汽车动力电池液流换热板换热特性的数值分析收稿日期:2022-09-16基金项目:江苏省科技副总项目(FZ20220305);江苏省产学研合作项目(BY2022722)作者简介:谢龙(1976),男,本科,研究方向为机械工程及自动化。E-mail:。通信作者:刘壮(1970),男,博士,副教授,研究方向为机械工程。E-mail:liuzhuang 。DOI:10.19466/ki.1674-1986.2023.06.001电动汽车动力电池液流换热板换热特性的数值分析谢龙1,谢迪凡1,苗培仁1,胡凯2,张瑶3,刘壮31.江阴市辉龙电热电器有限公司,江苏江阴 214401;2.江苏省柔性电加热器工程技术研究中心,江苏江阴 214401;3.南京航空航天大学机电学院,江苏南京 210016摘要:电动汽车动力电池在温度过高或过低时,均需要通过换热板进行热交换,以确保动力电池的工作性能。基于此,设计了 3 种不同流道结构的液流换热板,采用计算流体力学方法分析了流道横截面积和流道长度对动力电池散热和加热效果的影响。结果表明:增加内流道横截面面积可以增强换热板与流体之间的传热效果;在横截面面积不变的情况下,增加流道长度可使换热板表面温度分布更均匀。关键词:电动汽车;动力电池;液流换热板;有限元分析;换热特性中图分类号:TM911Numerical Analysis of Heat Transfer Characteristics of Fluid Flow Heat Exchanger Plate for Electric Vehicle Power BatteryXIE Long1,XIE Difan1,MIAO Peiren1,HU Kai2,ZHANG Yao3,LIU Zhuang31.Jiangyin Huilong Electric Heating Appliance Co.,Ltd.,Jiangyin Jiangsu 214401,China;2.Jiangsu Research Center of Flexible Heating Technology,Jiangyin Jiangsu 214401,China;3.College of Mechanical and Electrical Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing Jiangsu 210016,ChinaAbstract:The electric vehicle power battery needs to exchange heat through the heat exchanger plate when the temperature is too high or too low to ensure the working performance of the power battery.Based on this,three fluid flow heat exchanger plates with different flow chan-nel structures were designed,and the effects of flow channel cross-sectional area and flow channel length on the cooling and heating effect of power battery were analyzed by computational fluid dynamics method.The results show that increasing the cross-sectional area of the inner channel can enhance the heat transfer effect between the heat exchanger plate and the fluid.Increasing the channel length can lead to a more uniform temperature distribution on the surface of the heat exchanger plate with the same cross-sectional area.Keywords:electric vehicle;power battery;fluid flow heat exchanger plate;finite element analysis;heat transfer characteristics0 引言随着汽车数量的增加,带来了环境污染、资源约束和噪声等问题,这一系列问题迫使政府和汽车行业对汽车产业进行改造和创新。由于新能源汽车具有环保、节能和噪声小等优点,再加上政策的激励和市场的推动,使得新能源汽车得到了快速发展。新能源汽车包括纯电动汽车、混合电动汽车、燃料电池电动汽车等,其中纯电动汽车是我国优先发展的新能源汽车,是新能源汽车发展的主流1。在纯电动汽车使用过程中,动力电池工作温度过高、过低或者温度分布不均匀都会影响电池的工作性能、使用寿命和安全性2。当动力电池在低温条件下工作时,随着工作温度的下降,电池的有效容量和放电电压也随之下降,且只能够小电流充放电3。当动力电池长时间工作时,其内部物理和化学反应会产生大量热量,加上散热条件的限制,很容易使电池工作温度超过合理温度上限。这将使得电池的容量衰减、一致性变差,甚至还会引起火灾事故。现有研究表明,当单体锂电池工作温度为 25 时,循环寿命接近 250 次;当工作温度为 55 时,循环寿命降低至 200 次 4。因此,将动力电池的工作温度控制在合理温度范围内对于保持电池性能、延长电池寿命具有重要意义。2023.06 Automobile Parts002研究与开发Research&Development利用液流换热板对动力电池进行散热及加温逐渐成为电动汽车动力电池的主流温度控制方法5-6。基于此,本文针对 3 种液流换热板的换热性能进行了仿真研究,探讨了流道横截面面积及流道长度对动力电池散热和加热效果的影响,以期为今后液流换热板设计提供指导。1 液流换热板流道结构图 1 为 3 种液流换热板整体结构与流道横截面特征。图中 A、B、C 为某汽车厂商提供的 3 种不同流道结构的液流换热板几何结构,其中 A 与 B 的流道长度相同、流道横截面尺寸不同,A 与 C 的横截面尺寸相同、流道长度不 同。3 种 液 流 换 热 板 的 传 热 面 积 相 同,均 为0.059 m2。图 1 3 种液流换热板整体结构与流道横截面特征(单位:mm)换热板制作材料为 6063 铝合金,具有良好导热性和可焊接性,密度小且强度高。工作液设定为纯水。6063铝合金和 25 时纯水的物理属性见表 1。表 1 6063 铝合金和 25 时纯水的物理属性材料密度/(kg m-3)比热容/(J kg-1 K-1)导热系数/(W m-1 K-1)动力黏度/(mPa s)水997.04 1790.610.9066063 铝合金2 7009002182 有限元建模为了分析流道结构对换热板特性的影响,以方形磷酸铁锂电池 LF105 作为换热对象,计算电池的生热率。磷酸铁锂电池 LF105 标称值见表 2,针对 12 块方形磷酸铁锂电池 LF105 组成的小模组电池组进行分析。表 2 磷酸铁锂电池 LF105 标称值电池电压/V电池容量/Ah内阻/m外形尺寸/mm3.21050.520013036本文以 Bernadi 生热模型对电池生热进行估算7-10,估算公式为:q=IVb(U-U0)+TdU0dT=IVbIRi+TdU0dT(1)式中:q 为电池生热率;I 为电流;U 为电池电压;U0为电池开路电压;Vb为电池体积;T 为电池的热力学温度;Ri为内阻;dU0dT为电池温度系数。一般情况下,电池温度系数较小,可以忽略不计。计算出该电池在放电倍率为 1 C 条件下的生热率为5 876 W/m3。磷酸铁锂电池 LF105 物性参数见表 3。Automobile Parts 2023.06003表 3 磷酸铁锂电池 LF105 物性参数密度/(kg m-3)比热容/(J kg-1 K-1)长度方向导热系数/(W m-1 K-1)宽度方向导热系数/(W m-1 K-1)厚度方向导热系数/(W m-1 K-1)2 0531 30040400.8 分别建立 3 种液流换热板的电池换热模型,3 种换热模型中换热板的布置方式相同,如图 2 所示。液流换热板与动力电池之间通过导热垫片进行传热,其作用是填充 换 热 板 与 电 池 之 间 的 间 隙,导 热 垫 片 尺 寸 为270 mm220 mm2 mm,其物性参数见表 4。图 2 液流换热板 A 电池几何模型表 4 导热垫片物性参数材料密度/(kg m-3)比热容/(J kg-1 K-1)导热系数/(W m-1 K-1)硅胶泡棉1 7008501.5为了简化运算,计算建立在以下假设基础上:换热板模型中工作液均匀流动,不受时间变化的影响;换热板材料和工作液物性参数为定值,不受温度变化的影响;流体不可压缩且不考虑液流换热板的变形;电池内部为等效均质材料;不考虑导热垫片传热面的接触热阻。对几何模型进行网格划分,工作液、液流换热板以及导热垫片部分的网格尺寸为 1 mm,电池部分的网格尺寸为 3 mm。3 电池换热特性分析3.1 电池散热效果分析电池放电倍率为 1 C,一般电池的工作环境比较封闭,对流换热较弱,对流换热系数取 2 W/(m2K)。锂电池的最佳工作温度范围为 1535,由于电池工作时自身生热加上散热条件差,使得电池温度逐渐升高,会超过最佳工作温度范围,因此以 35 作为电池的初始散热温度。仿真边界条件设定如下:环境温度为 35,电池初始温度为 35;电池生热率为 5 876 W/m3;换热模型与空气的对流换热系数为 2 W/(m2K);工作液入口温度为 25;工作液流量为 9 L/min;工作液为纯水。散热时换热板 A、B、C 和电池组在换热 30 min 时的温度云图分别如图 3 至图 5 所示。根据仿真结果绘制散热时的电池平均温度和电池单体最大温差随时间变化曲线分别如图 6 和图 7 所示。图 3 散热时换热板 A 和电池组在换热 30 min 时的温度云图Numerical Analysis of Heat Transfer Characteristics ofFluid Flow Heat Exchanger Plate for Electric Vehicle Power Battery电动汽车动力电池液流换热板换热特性的数值分析2023.06 Automobile Parts004研究与开发Research&Development图 4 散热时换热板 B 和电池组在换热 30 min 时的温度云图图 5 散热时换热板 C 和电池组在换热 30 min 时的温度云图图 6 散热时的电池平均温度随时间变化曲线由图 6 可知,随着换热时间逐渐增加,电池平均温度均呈下降趋势,换热板 B 和 C 换热模型中电池平均温度基本一致,均比换热板 A 的低,换热板 B 和 C 换热模型中电池平均温度与液流换热板 A 之间的差距逐渐增大。在散热 30 min 时,换热板 A、B、C 换热模型中电池平均温度分别下降了 3.50、3.92、4.01,可得出换热板 B 和 C 的散热效果相当,均比换热板 A 的效果好。由图7 可知,在散热30 min 时,换热板 A、B、C 换热模型中电池单体最大温差分别为 3.88、4.35、4.10。可以看出,换热板 C 的表面温度更均匀,换热板 B 次之,换热板 A 最差。结果发现,增加内流道横截面面积可以增加工作液与换热板内流道接触面积,从而增强换热板的散热效果;在横截面面积不变的情况下,增加流道长度可使换热板表面温度分布更均匀。图 7 散热时的电池单体最大温差随时间变化曲线Automobile Parts 2023.060053.2 电池加热效果分析在仿真模拟中设置相同的边界条件:环境温度为0,电池初始温度为0;电池生热率为5 876 W/m3;换热模型与空气的对流换热系数为 2 W/(m2K);工作液入口温度为 25;工作液流量为 9 L/min;工作液材质为流体,材料为水。加温时换热板 A、B、C 和电池组在换热 30 min 时的温度云图分别如图 8 至图 10 所示。根据仿真结果绘制加温时的电池平均温度和电池单体最大温差随时间变化曲线分别如图 11 和图 12所示。图 8 加温时换热板 A 和电池组在换热 30 min 时的温度云图图 9 加温时换热板 B 和电池组在换热 30 min 时的温度云图图 10 加温时换热板 C 和电池组在换热 30 min 时的温度云图Numerical Analysis of Heat Transfer Characteristics ofFluid Flow Heat Exchanger Plate for Electric Vehicle Power Battery电动汽车动力电池液流换热板换热特性的数值分析2023.06 Automobile Parts006研究与开发Research&Development图 11 加温时的电池平均温度随时间变化曲线图 12 加温时的电池单体最大温差随时间变化曲线由图11 可知,随着时间的逐渐增加,电池平均温度均呈上升趋势,换热板 B 和 C 换热模型中电池平均温度基本一致,均比液流换热板 A 的高,换热板 B 和 C 换热模型中电池平均温度与液流换热板 A 之间的差距逐渐增大。在加热 30 min 时,换热板 A、B、C 换热模型中电池平均温度分别升高了 16.29、18.12、18.32,可得出换热板 B 和 C 的加热效果相当,均比换热板 A 的效果好。由图 12 可知,在加热 30 min 时,换热板 A、B、C 换热模型中电池单体最大温差分别为 6.38、5.51、5.13。由仿真结果可以看出,换热板 C 的表面温度更均匀,换热板 B 次之,换热板 A 最差。结果发现,增加内流道横截面面积可以增加工作液与换热板内流道接触面积,从而增强换热板的加热效果;在横截面面积不变的情况下,增加流道长度可使换热板表面温度分布更均匀。4 结束语本文针对液流换热板流道结构对电池换热性能的影响展开了研究,实现了 3 种不同流道结构板的换热特性的仿真,得出了流道结构对液流换热板特性的影响。结果表明:在结构强度允许范围内,增加内流道横截面面积可以增加工作液与液流换热板内流道接触面面积,增强液流换热板与流体之间的传热效果,使液流换热板的加热和散热效果增强;在横截面面积不变的情况下,增加流道长度可使液流换热板表面温度分布更均匀,但对总体加热效果影响不大。参考文献:1 田峰,魏帮顶,苏玉来.电动汽车技术进展和发展前景J.时代汽车,2022(12):118-119.TIAN F,WEI B D,SU Y L.Electric vehicle technology progress and development prospectJ.Auto time,2022(12):118-119.2 BOROUJENI S M,FILL A,RIDDER A,et al.Influence of tempera-ture and electrolyte composition on the performance of lithium metal anodesJ.Batteries,2021,7(4):67.3 施润泽,张嘉琪.低温环境下锂电池充放电性能研究J.电池工业,2021,25(6):291-294.SHI R Z,ZHANG J Q.Research on charging and discharging per-formance of lithium battery at low temperatureJ.Chinese battery industry,2021,25(6):291-294.4 陈荣.基于锂电池循环寿命的全电船能量管理策略研究D.厦门:集美大学,2021.5 张朝晖,陈俊梯,舒亮,等.电池温度控制装置:CN108232364AP.2018-06-29.6 DUAN J B,ZHAO J P,LI X K,et al.Modeling and analysis of heat dissipation for liquid cooling lithium-ion batteries J.Energies,2021,14(14):4187.7 BERNARDI D,PAWLIKOWSKI E,NEWMAN J.A general energy balance for battery systemsJ.Journal of the electrochemical society,1985,132(1):5-12.8 ONDA K,OHSHIMA T,NAKAYAMA M,et al.Thermal behavior of small lithium-ion secondary battery during rapid charge and discharge cycles J.Journal of power sources,2006,158(1):535-542.9 YANG K,AN J J,CHEN S.Thermal behavior analysis of nickel/metal hydride battery during overchargingJ.Science China chem-istry,2010,53(5):1177-1182.10 李文成,卢世刚.C/LiFePO4动力蓄电池的热行为J.中国有色金属学报,2012,22(4):1156-1162.LI W C,LU S G.Thermal behavior of C/LiFePO4 power secondary batteryJ.Chinese journal of nonferrous metals,2012,22(4):1156-1162.