新能源汽車散熱系統(tǒng)中泡沫鋁的應用研究

江 滔

(合肥職業(yè)技術學院 安徽 合肥 238000)

0.引言

隨著人們環(huán)境保護意識的不斷增強，新能源汽車已經(jīng)成為未來取代傳統(tǒng)燃油汽車的重要發(fā)展方向。 相比于傳統(tǒng)的燃油汽車，新能源汽車具有節(jié)能、環(huán)保的應用優(yōu)勢，能夠大大緩解當前自然能源緊缺的局面，改善我國自然生態(tài)環(huán)境。近年來，越來越多的專家和學者投入到新能源汽車的研究中，對于新能源汽車來說，由于其廣泛采用鋰離子動力電池作為其動力系統(tǒng)，而鋰離子動力電池在充放電時會散發(fā)出大量的熱量，進而造成其內(nèi)部溫度急劇升高，這會嚴重影響鋰電池的使用壽命，甚至還會給新能源汽車帶來很大的安全隱患。因此，有必要對新能源汽車散熱系統(tǒng)進行科學的設計，而在散熱系統(tǒng)設計中，泡沫鋁作為一種密度相對較低的多孔介質金屬，其具有比表面積大、質量輕等特點，將泡沫鋁應用于散熱系統(tǒng)中，可提高散熱系統(tǒng)對電池組的蓄熱能力的同時，還能確保電池組中的溫度分布均勻。為此，以下就對新能源汽車散熱系統(tǒng)中泡沫鋁的應用進行深入的研究。

1.新能源汽車散熱系統(tǒng)中的電池模塊分析

現(xiàn)階段，新能源汽車散熱系統(tǒng)對鋰離子電池的冷卻方式主要有三種，包括空冷、相變冷卻及液冷，這三種冷卻方法都有各自的特點，其中空冷方法在系統(tǒng)設計上較為簡單，有著較高的可靠性，但空冷系統(tǒng)的散熱能力卻比較差，如果不對電池箱體的體積進行加大，不增加風機功耗的基礎上，對新的空氣流場進行設計，可使空冷方法的散熱效果大幅提升，而這種構思將成為諸多學者的主要研究方向。 液冷方式在系統(tǒng)設計上比較復雜，同時在設計液冷系統(tǒng)時，還要考慮到液體是否會發(fā)生泄漏的問題，而且需要采取相應的節(jié)能降耗措施來降低泵的功耗。 相變冷卻雖然不用進行復雜的系統(tǒng)設計，但其散熱只能通過單次循環(huán)的方式來實現(xiàn)，而且散熱效果也并不理想。 為了分析新能源汽車中的鋰離子電池的熱量散發(fā)情況，以此選擇最佳的冷卻方法，本文對新能源汽車中的鋰離子電池進行了相應的理論描述，將磷酸鐵鋰動力電池作為研究對象，該電池模塊的單體幾何尺寸為20.3cm×11.2cm×5.8cm，其電池倉的材質為不銹鋼，厚度為0.3cm，電池模塊的標稱容量可達到70Ah。該電池模塊共包括單體電池八個，這些單體電池以單排的方式形成電池組，各個單體電池保持著0.4cm 的距離，而倉體和電池則保持著1cm 的距離，電池模塊外圍入口與出口的尺寸相同，全部都是0.4cm×8cm，而支架和接線等不重要的附件在本文中進行了相應的省略。對于鋰動力電池來說，其熱量的產(chǎn)生主要來源于四個途徑，分別是反應熱所產(chǎn)生的熱量、焦耳所具有的熱量、極化反應所產(chǎn)生的熱量以及副反應所產(chǎn)生的熱量，在工程領域中，對于鋰離子電池來說，其單位體積所具備的生熱速率可通過Bernardi 生熱速率模型來進行估算，具體的估算公式可表示為：

在上述公式中，鋰離子電池的負載電流、產(chǎn)熱量、負載電壓、開路電壓以及電池溫度分別由 IL、qgcn、UL、EO、Tbat表示，從該公式中可以了解到，電池熱量的產(chǎn)生主要包括兩項，其中有一項屬于不可逆的產(chǎn)熱，可將其用I2R 表示，而右邊一項則屬于可逆的產(chǎn)熱，通常來說，可逆的產(chǎn)熱相比于不可逆的產(chǎn)熱要少2%， 因此可進一步忽略上述公式中的可逆產(chǎn)熱項，由此只需利用以下公式來估算出鋰離子電池的產(chǎn)熱速率即可，該公式可表示為qgcn=I2R，在該公式中，鋰離子電池的總電阻由R 進 行 表 示[1]。

2.新能源汽車散熱系統(tǒng)對電池溫度的散熱效果分析

2.1 入口風速

在新能源汽車散熱系統(tǒng)中，如果是以空冷冷卻的方式來進行系統(tǒng)設計的，雖然空冷系統(tǒng)的設計較為簡單，并且有著較高的可靠性，但其自身的散熱效果卻并不理想，如果將散熱系統(tǒng)中的入口風速設定為1米每秒，此時外界環(huán)境的氣溫為30℃，這時鋰離子電池在此環(huán)境下其放電速率為1C，通過計算機來對鋰離子電池組進行模擬，可以發(fā)現(xiàn)鋰離子電池組的溫度會迅速上升，其溫度最高值接近于50℃.而當外界環(huán)境的氣溫設置成35℃時，可以發(fā)現(xiàn)鋰離子電池組的溫度最高值可高達54.4℃， 通過以上兩種場景的模擬可以知道，45℃是鋰離子電池組性能衰減的一個標準點，也就是說當鋰離子電池的內(nèi)部溫度達到45℃以上時，此時鋰電子電池的性能便會迅速降低。

2.2 風速增加

在分析新能源汽車散熱系統(tǒng)對電池溫度的散熱效果時，將散熱系統(tǒng)中的入口風速進行增大，可以發(fā)現(xiàn)鋰離子電池組的溫度最高值有所降低，不過降低幅度較小。當計算機模擬的外界環(huán)境氣溫為30℃時，散熱系統(tǒng)的入口風速需要達到5 米每秒以上，才可使鋰離子電池組的溫度最高值降低至40℃以內(nèi)。 而如果計算機模擬的外界環(huán)境氣溫為35℃，則散熱系統(tǒng)的入口風速需要至少達到10 米每秒以上時，此時鋰離子電池組的溫度最高值為39.6℃。 從以上模擬結果可以了解到，要想使鋰離子電池組的溫度最高值降低，使鋰離子電池組的性能始終能夠保持在性能穩(wěn)定線以內(nèi)， 就必須要加大散熱系統(tǒng)中入口的風速，不過這種方法所起到的降溫效果卻并不明顯，而且加大散熱系統(tǒng)中入口的風速反而會使風機的功耗大大增加， 加重鋰離子電池組的運行負擔，并且也縮短了鋰離子電池的續(xù)航能力。顯而易見，通過加大散熱系統(tǒng)入口風速的冷卻方式來對鋰離子電池組進行散熱在技術上來說是不可取的。

3.新能源汽車散熱系統(tǒng)中泡沫鋁應用的邊界條件

泡沫鋁作為新能源汽車散熱系統(tǒng)中的重要材質，其具有比表面積大、多孔、質量輕等特點，因此可將泡沫鋁看成是一種類似于泡沫的多孔介質金屬材料， 泡沫鋁在散熱系統(tǒng)中的應用可顯著增強湍流效果。為了分析泡沫鋁在新能源汽車散熱系統(tǒng)中應用的邊界條件， 本文借助于Brinkman-Forchherier-extend Darcy 模型來進行相應的分析，在此過程中，需要將空氣作為一種不可壓縮的流體，其不具備相變，并將空氣中的輻射、自然對流以及熱彌散進行忽略，然后本文采用SolidWorks+ICEM+fluent 建模軟件來對泡沫鋁在散熱系統(tǒng)中的三維幾何模型SolidWorks 進行構建， 并通過ICEM 對三維幾何模型的網(wǎng)絡進行結構劃分，然后通過fluent 進行求解，通過k-e 方程的有效應用，對壓力出口和速度入口進行確定，同時將空氣當作不可壓縮的一種氣體，得出泡沫鋁在新能源汽車散熱系統(tǒng)中不具備邊界滑移條件。 本文利用ANSYS 軟件中的fluent 對泡沫鋁所具有的慣性阻力及粘性阻力兩種系數(shù)進行了相應的計算，在計算過程中需要明確泡沫鋁作為多孔介質所具有的孔隙率和滲透率，確定慣性系數(shù)，該慣性系數(shù)為無量綱數(shù)，因此將慣性系數(shù)的值設定為0.1[2]。

4.新能源汽車散熱系統(tǒng)中泡沫鋁的應用效果研究

為了分析新能源汽車散熱系統(tǒng)中泡沫鋁的應用效果，取長度不同的泡沫鋁填入到新能源汽車的電池倉內(nèi)。

4.1 泡沫鋁在新能源汽車散熱系統(tǒng)中的影響分析及模型驗證

新能源汽車是未來汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，對新能源汽車的研究有助于保護自然生態(tài)環(huán)境，減少空氣污染。在此大背景下，人們對新能源汽車的技術研究也不斷加深，新能源汽車散熱系統(tǒng)的研究便是其中一大重點，為了分析泡沫鋁在新能源汽車散熱系統(tǒng)中的應用效果，使鋰離子電池組的最高溫度得到有效降低，提高鋰離子電池組的溫度均勻性，需要在電池倉與鋰離子電池組四周的空隙中填入不同長度的泡沫鋁，然后通過對電池倉的溫差最大值與溫度最高值進行模擬，并對模擬結果進行分析。在進行模擬分析時，需要將初始條件進行相同設置，在電池倉內(nèi)，鋰離子電池組的放電速率為1C，然后對鋰離子電池組的散熱效果進行衡量，該放電速率也是新能源汽車在散熱系統(tǒng)設計中允許的最高值，在填入泡沫鋁時，需要對泡沫鋁的孔隙率進行嚴格的要求，將該值設定為0.95，然后設定散熱系統(tǒng)入口處的風速為3 米每秒，最后再對電池倉的溫差最大值與溫度最高值進行模擬，并將模擬后所獲得的模擬結果和Shahabeddin K 所得到的研究結果進行對比， 通過對比可以發(fā)現(xiàn)， 模擬結果和Shahabeddin K 得到的結果呈現(xiàn)出較高的吻合性。此外，之所以會產(chǎn)生數(shù)據(jù)大小之間的差異，其原因在于鋰離子電池組在放電倍率、生熱率上存在不同，再加上進口風速也是不同的，這就造成數(shù)據(jù)之間的不同，但從這些數(shù)據(jù)的變化趨勢來看，卻呈現(xiàn)出高度的一致性，通過觀察數(shù)據(jù)的變化趨勢就能夠說明本文所提出的模型是正確的。

4.2 泡沫鋁長度對新能源汽車散熱系統(tǒng)的效果影響

在新能源汽車散熱系統(tǒng)中，空冷冷卻方法是利用外界空氣將電池倉中的熱量交換出去，以此達到散熱目的。在電池倉內(nèi)，其后部因空氣和位于倉體前部的電池進行熱量交換后， 會使倉體后部的溫度提高，進而降低了倉體后部的散熱能力， 因此從上述分析中可以了解到，電池倉的后部散熱效果要弱于倉體前部的散熱效果，因此倉體后部的電池溫度要比倉體前部的電池溫度要高，通過明確該點，因此可將泡沫鋁填入到電池倉的后部，以此增強電池倉后部的散熱性能，降低倉體后部的電池溫度[3]。 為了進行更加深入的對比，需要按照五種情形來進行劃分，然后觀察這五種情形下電池倉的散熱效果，從而明確泡沫鋁對新能源汽車散熱系統(tǒng)的影響。 第一種情形是不在電池倉中填入泡沫金屬，第二種情形是在電池倉的后部位置填入與鋰離子電池組四分之一長度相等的泡沫鋁， 第三種情形是在電池倉的后部位置填入與鋰離子電池組一半長度相等的泡沫鋁， 第四種情形是在電池倉的后部位置填入與鋰離子電池組四分之三長度相等的泡沫鋁， 第五種情形是在電池倉的后部位置填入與鋰離子電池組相同長度的泡沫鋁， 通過上述五種情形的設置， 可以對比不同長度泡沫鋁在新能源汽車電池倉中所起到的散熱效果。 通過計算機軟件對不同外界環(huán)境溫度的條件下，新能源汽車鋰離子電池的溫差最大值以及溫度最高值進行模擬， 鋰離子電池組放電為70A，放電速率為1C，在填入泡沫鋁時，需要確定其孔隙率，將孔隙率設置成0.95，并將新能源汽車散熱系統(tǒng)的入口風速設置為3 米每秒。

通過確定新能源汽車散熱系統(tǒng)中鋰離子電池的結構及參數(shù)，分析了電池生熱的機理，同時提出關于泡沫鋁在鋰離子電池倉中的散熱計算方法，明確了其邊界條件，然后提出了泡沫鋁在新能源汽車散熱系統(tǒng)中的五種應用情形，通過模擬軟件對上述五種情形下泡沫鋁的散熱效果進行對比，以此分析不同長度泡沫鋁對新能源汽車散熱系統(tǒng)造成的影響。模擬結果表明，在上述五種情形下，不同長度的泡沫鋁填入到新能源汽車的鋰離子電池倉后，鋰離子電池組的溫差最大值與溫度最高值均有所下降，只不過下降的幅度有所不同。其中在第五種情形下，鋰離子電池組的溫差最大值與溫度最高值下降幅度最大，這說明泡沫鋁在電池倉中的填入長度越長，則鋰離子電池組的溫差最大值與溫度最高值下降幅度就越大。此外，在上述五種情形下，隨著泡沫鋁在電池倉中的長度增加，鋰離子電池組的溫差最大值會先減小，然后才有所增加。 當電池倉中填入了泡沫鋁以后，鋰離子電池組的溫度最高值降低幅度可達到4.3℃，而其溫差最大值的降低幅度則達到3.2℃。 將不同長度的泡沫鋁填入到電池倉以后，可以獲得計算機模擬軟件對鋰離子電池組的絕對溫度分布圖。 之所以會出現(xiàn)以上模擬結果，是由于泡沫鋁在電池倉中填入長度的增加， 會增加鋰離子電池組的散熱面積，由于孔棱和流動方向相互垂直，這也使孔棱將原有的邊界層進行了隔斷，進而大大增強了流體的湍動效果，因此泡沫鋁在電池倉中的填入長度真長，則鋰離子電池組的溫度最高值下降幅度就越大。

4.3 泡沫鋁孔隙率對新能源汽車散熱系統(tǒng)的影響

泡沫鋁作為一種密度相對較低的多孔介質金屬，其也是一種泡沫金屬，而對于泡沫金屬來說，孔隙率無疑是其非常重要的衡量參數(shù)，孔隙率可以對泡沫金屬的內(nèi)部組織結構的透氣性進行真實反映，為了分析泡沫鋁孔隙率對新能源汽車散熱系統(tǒng)所造成的影響，以此選擇孔隙率最佳的泡沫鋁來作為新能源汽車鋰離子電池組的散熱材料，本文通過模擬軟件進行了模擬，將外界環(huán)境溫度設置成30℃，散熱系統(tǒng)的入口風速設置為3 米每秒，選擇不同孔隙率的泡沫鋁作為鋰離子電池組的填充散熱材料，這些泡沫鋁的孔隙率分別為0.85、0.9 和0.95，將不同長度、不同孔隙率的泡沫鋁分別填充在電池倉的后部，然后測定鋰離子電池組的溫度最高值與溫差最大值。 通過模擬可以發(fā)現(xiàn)，不同孔隙率的泡沫鋁在填充到電池倉后部以后，鋰離子電池組的溫度最高值降低幅度相差不大， 而通過分析鋰離子電池組的溫差最大值可以發(fā)現(xiàn)，孔隙率越大的泡沫鋁，鋰離子電池組的溫差最大值越大，這說明鋰離子電池組的溫差最大值會因孔隙率的減小而減小，也就是說，選擇泡沫鋁的孔隙率越小，則說明鋰離子電池組的溫度分布越均勻。 這是因為越小的泡沫鋁孔隙率，代表電池倉中的固體骨架越多，這會增強電池倉的導熱性，此時會使因體與流體間具有更大的比表面積，進而增強了電池倉的換熱能力，自然新能源汽車的散熱性能也就越好。

5.結語

隨著我國對新能源開發(fā)與利用的愈發(fā)重視，在不久的將來，新能源汽車必將取代原有的燃油汽車， 進而真正成為汽車制造行業(yè)的主流，在緩解當前能源緊張局面的同時，也能真正還人們一片蔚藍的藍天。與此同時，人們對新能源汽車的研究也將變得愈發(fā)深入，這也使新能源汽車的散熱不良問題將得到徹底的解決，有效延長新能源汽車蓄電池的使用壽命，而泡沫鋁作為新能源汽車中重要的散熱材料，也必將引起更多人的關注和研究，從而使泡沫鋁在新能源汽車散熱系統(tǒng)中必將發(fā)揮更大的作用，從而使新能源汽車能夠在不久的將來真正出現(xiàn)在人們的面前。