考慮質(zhì)量流量的電池組蛇形冷卻結(jié)構(gòu)仿真

鋰離子電池作為電動汽車儲能裝置，其性能直接影響電動汽車能否安全、高效運行。鋰離子電池在工作時，各種電化學反應(yīng)以及物理變化在電池充放電尤其高倍率放電時會放出大量熱，若在車輛運行過程中，電池所選用的冷卻系統(tǒng)不能及時將其吸收散發(fā)，將會發(fā)生熱量積聚，使各單體鋰電池之間產(chǎn)生較大溫度差，影響電池組溫度一致性，因此動力電池的散熱系統(tǒng)設(shè)計是純電動汽車設(shè)計過程的重要組成部分

。目前，電池熱管理系統(tǒng)主要分為風冷系統(tǒng)、液冷系統(tǒng)與相變材料冷卻系統(tǒng)三種類型，其中液冷系統(tǒng)因其具有良好的冷卻性能，無論是在實際生產(chǎn)實踐中還是學術(shù)研究中均為主要方向。Akbarzadeh 等

對空氣型和液體型熱管理系統(tǒng)進行了比較分析，結(jié)果表明液冷型電池熱管理系統(tǒng)會使模塊溫度更低，溫度一致性更好。勞玉玲

采用雙進雙出的微通道液冷板對電池進行熱管理，該結(jié)構(gòu)能夠提高鋰電池在高倍率下放電的溫度一致性。唐愛坤等

研究了大容量鋰離子電池組在微通道液體冷卻結(jié)構(gòu)中的溫控效果，該結(jié)構(gòu)能有效降低電池組溫度。Wang 等

的研究與Ding 等

的研究均表明，當液冷結(jié)構(gòu)的冷卻液進口設(shè)計交替排列時，溫度一致性可以得到明顯改善。王延寧

對冷卻液初始溫度做了詳細研究，在一定溫度范圍內(nèi)，當冷卻液溫度越高時，電池組最大溫度差越低。

大數(shù)據(jù)風險控制是基于大數(shù)據(jù)的風險提示和風險控制，其核心方法是通過對相似群體的數(shù)據(jù)分析，利用成熟的數(shù)據(jù)模型進行用戶違約率計算，降低互聯(lián)網(wǎng)金融風險。基于大數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)風險控制具有數(shù)據(jù)維度大、時效性強、結(jié)果精準的優(yōu)點。風險控制主要從數(shù)據(jù)源頭出發(fā)，對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理操作，提取數(shù)據(jù)特征，運用多種算法比較得出最優(yōu)的風險控制模型，得出普適性、穩(wěn)定性、準確性較高的信用評級體系，并將其應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)金融產(chǎn)品中[5]。大數(shù)據(jù)風險控制的數(shù)據(jù)源主要包括1)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，如訪問者的IP地址、網(wǎng)絡(luò)行為數(shù)據(jù)、信用數(shù)據(jù)等；2)用戶授權(quán)信息，如信用卡數(shù)據(jù)等；3)第三方數(shù)據(jù)，如合作機構(gòu)數(shù)據(jù)等。

基于上述對電池組液冷結(jié)構(gòu)研究成果，本文以單體方形鋰離子電池組成的電池組為對象，建立單向流通結(jié)構(gòu)與雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)兩種蛇形液冷結(jié)構(gòu)模型，分別研究其在不同質(zhì)量流量情況下對電池組的冷卻效果，并做出綜合分析。

1 單體鋰離子電池數(shù)學模型構(gòu)建

在構(gòu)建單體鋰離子電池模型的過程中，假設(shè)電池內(nèi)部電化學反應(yīng)物質(zhì)均勻分布、各組成材料各向同性、電池發(fā)熱均勻。

1.1 鋰離子電池生熱速率

本文通過D. Bernardi的電池生熱速率模型

理論計算獲得生熱速率

。生熱速率

表示為：

大湖呈現(xiàn)完美的卵形。孕育過人煙和俗世的氣味和痕跡被掃蕩一空。湖面上棲息過路灰雁，發(fā)出斷續(xù)蒼涼叫聲。因為有人跡靠近，這群大鳥在突然之間振翅拍打，如同一股悸動的風暴，飛往空中遠去。

1.2 鋰離子電池熱物性參數(shù)

1.2.1 平均導熱系數(shù)

假設(shè)單體鋰離子電池為導熱系數(shù)各向異性的長方體，不同方向的導熱系數(shù)如下：

3.2.3 兩種質(zhì)量流量下兩種結(jié)構(gòu)電池B8 溫度變化對比分析

1.2.2 平均比熱容平均比熱容公式如下：

式中，

C

為第

種材料的比熱容[J/(kg·K)]；

C

為電池平均比熱容[J/(kg·K)]；

m

為電池第

種材料的質(zhì)量(g)。

尤其是重癥哮喘合并呼吸衰竭的患者，這樣的患者往往會出現(xiàn)不同程度的呼吸困難[2]。由于重癥多種炎癥細胞和細胞介質(zhì)，氣道反復(fù)出現(xiàn)高反應(yīng)性，遇到相應(yīng)變應(yīng)原后出現(xiàn)痙攣，從而導致患者呼吸困難。在沒有及時抗炎、解痙、平喘、止咳的情況下反復(fù)發(fā)作，會進一步導致患者二氧化碳潴留，動脈血氧分壓下降。尤其在動脈血氣分析結(jié)果上體現(xiàn)較為明顯，患者一般都會出現(xiàn)動脈血二氧化碳量較多，氧氣減低。當重癥哮喘患者合并呼吸衰竭之后，往往又會出現(xiàn)代謝性酸中毒的情況。

1.2.3 平均密度

3.3.2 最大溫差

式中，

v

為第

種材料的體積(m

)；

C

為電池平均比熱容[J/(kg·K)]；

為電池平均密度(kg/m

)；

C

為第

種材料比熱容[J/(kg·K)]。

1.3 單體鋰離子電池熱仿真模型驗證

本文研究對象為某電動汽車用方形磷酸鐵鋰電池，其電池標準容量為50 Ah，外形尺寸為180 mm×130 mm×30 mm，電池各組成材料的物化參數(shù)如表1 所示。仿真參數(shù)設(shè)置，根據(jù)上文公式計算為：1 C 放電倍率下產(chǎn)熱量為6153 W/m

，

方向?qū)嵯禂?shù)為0.72 W/(m·K)，

與

方向的導熱系數(shù)為2.88 W/(m·K)，平均比熱容為1207 J/kg，電池的平均密度為1876 kg/m

。利用計算流體力學仿真軟件進行生熱仿真，采集電池表面溫度。

由于高校圖書館主要是圍繞學校教學科研服務(wù)，也就是以學科專業(yè)類書刊作為重點收藏，因而在紅色文獻資源建設(shè)上普遍存在數(shù)量較少，結(jié)構(gòu)單一，質(zhì)量不高，以及開發(fā)利用不夠等問題。為了突出社會主義辦學方向，加強革命傳統(tǒng)教育，傳承和弘揚紅色精神，切實充實高校圖書館紅色文獻館藏意義重大，責無旁貸。以湘西紅色文獻資源建設(shè)為例，筆者采用以下一些對策方式，同時還要注意以下一些問題。

為驗證仿真模型，進行了單體電池的1 C放電溫升試驗，試驗系統(tǒng)中的恒溫箱和電子負載如圖1(a)所示。恒溫箱溫度設(shè)置為25 ℃，電子負載放電電流設(shè)置為恒流50 A，對單體電池表面溫度進行檢測。圖1(b)為電池表面溫度的試驗與仿真結(jié)果對比圖，如圖所示，二者誤差在2.6%以內(nèi)，仿真模型精度較好。

2 電池組熱仿真模型構(gòu)建

2.1 電池組幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用3D建模軟件對電池組模型進行三維建模，該電池組由15 塊單體電池緊密排列組成，從左至右依次編號為B1-B15，電池組幾何模型如圖2(a)所示。采用CFD仿真軟件進行電池組的網(wǎng)格劃分，電池組網(wǎng)格如圖2(b)所示。對該模型采用多面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)為30561，網(wǎng)格面數(shù)為176006，本文仿真結(jié)果均已驗證了網(wǎng)格無關(guān)性。

2.2 仿真結(jié)果分析

圖7 為0.2 kg/s 與2.0 kg/s 質(zhì)量流量下兩種結(jié)構(gòu)電池B8 的溫度變化對比曲線，圖中D 代表單向流通，S 代表雙向?qū)α?，如編號D-0.2 表示：單向流通結(jié)構(gòu)在0.2 kg/s 質(zhì)量流量下電池的中心溫度。從圖7 中可以更加明顯地看出，電池B8 在單向流通結(jié)構(gòu)中溫度達到30 ℃用時2400 s左右，而在雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)中則用時3250 s 左右，因此電池組在單向流通結(jié)構(gòu)的溫升快于雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)。在質(zhì)量流量為2.0 kg/s的單向流通結(jié)構(gòu)中，剛開始冷卻時會產(chǎn)生溫度異常升高現(xiàn)象，而在雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)中，并未出現(xiàn)該現(xiàn)象。由圖8 兩種結(jié)構(gòu)在2.0 kg/s 下冷卻液瞬時流速矢量圖可知，單向流通結(jié)構(gòu)在開始冷卻時，其進口冷卻液流速約為3.75 m/s。而雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)在開始冷卻時，由于冷卻液分別由兩個進口流入冷卻結(jié)構(gòu)，其單個進口冷卻液流速約為1.9 m/s。所以，在冷卻液質(zhì)量流量為2.0 kg/s時，單向流通結(jié)構(gòu)在開始冷卻時由于冷卻液瞬時流速過大，導致冷卻液內(nèi)能增大，從而引起溫度異常升高。

3 液冷結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析

液體介質(zhì)具有比熱容大、換熱效率高、冷卻速度快等優(yōu)點，在動力電池熱管理系統(tǒng)中可以有效降低電池最高溫度，改善電池組溫度一致性。所以本文基于液冷散熱設(shè)計電池組冷卻系統(tǒng)。

3.1 蛇形單向與雙向液冷散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，大部分方形電池的發(fā)熱集中在電池底部

，少部分的方形電池的發(fā)熱集中在正負極附近，同時由于電池本身的化學反應(yīng)放熱以及熱傳導，導致電池整體溫度分布并不均勻

。通過本文對電池組溫升仿真研究，發(fā)現(xiàn)電池組在放電過程中，中間溫度最高，并逐漸向四周降低。綜上研究結(jié)果，本文基于蛇形冷卻管分別設(shè)計了單向流通與雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)，如圖4所示，在單向流通結(jié)構(gòu)中冷卻液由進口流入，經(jīng)蛇形結(jié)構(gòu)，由出口流出；在雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)中冷卻液分別從進口1 和進口2 流入，經(jīng)蛇形結(jié)構(gòu)的上下兩部分，從出口1和出口2流出。

從表1中可以看出，2005年、2008年、2010年和2013年山東省耕地面積占比都超過60%，但總體面積在減少，說明山東省是以耕地為主的地區(qū)，但隨著社會的發(fā)展，耕地不斷被占用。建設(shè)用地面積占比都超過10%，主要集中在東南沿海地區(qū)和西北低洼平坦地區(qū)，在巨大的社會經(jīng)濟發(fā)展的驅(qū)動下，城市化進程加快，促使建設(shè)用地不斷向外擴張，處于不斷上升的趨勢。

3.2 不同質(zhì)量流量下的兩種結(jié)構(gòu)冷卻性能仿真研究

散熱管材料設(shè)置為鋁，環(huán)境溫度為25 ℃，冷卻液為體積分數(shù)50%的乙二醇水溶液，初始溫度為25 ℃，質(zhì)量流量分別設(shè)置為0.2～2.0 kg/s，其物性參數(shù)如表2所示。電池組先進行1 C倍率放電，當電池最高溫度達到30 ℃時，開啟冷卻系統(tǒng)。仿真時間步長設(shè)置為1 s，每步迭代10次，總放電時長單向流通為3600 s，雙向流通為4700 s。

3.2.1 兩種質(zhì)量流量下單向流通結(jié)構(gòu)電池組溫度分析

3.3.1 電池的最高溫度

3.2.2 兩種質(zhì)量流量下雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)電池組溫度分析

圖6 為0.2 kg/s 與2.0 kg/s 質(zhì)量流量雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)電池組溫度分布與各單體電池溫度變化曲線。當質(zhì)量流量為0.2 kg/s 時，如圖6(a)所示，由電池組溫度分布圖可知，進口1 與進口2 處冷卻液溫度較低，而在出口1 與出口2 處冷卻液溫度較高，導致電池組前端與后端單體電池自身上下部分溫度分布不均；觀察其各單體電池溫度變化曲線，在3250 s 時，電池組溫度達到30 ℃，冷卻系統(tǒng)開始啟動，電池組中各單體電池幾乎同時進行冷卻，在冷卻過程中保持了較好的電池組溫度一致性。當質(zhì)量流量為2.0 kg/s 時，圖6(b)所示，由電池組溫度分布圖可知，與單向流通結(jié)構(gòu)相同，冷卻結(jié)構(gòu)中較低溫度的冷卻液的占比較質(zhì)量流量為0.2 kg/s時增大，與單向流通結(jié)構(gòu)對比，發(fā)現(xiàn)雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)由于進口冷卻液會對出口冷卻液進行冷卻，所以較低溫度冷卻液在冷卻結(jié)構(gòu)中占比大于單向流通結(jié)構(gòu)；由各單體電池溫度變化曲線可知，在冷卻時，各單體電池溫度變化與質(zhì)量流量為0.2 kg/s時趨勢大體相同，無論是冷卻過程中，還是冷卻結(jié)束后，電池組最大溫差與最高溫度均差別不大。

總之，推進民生水利深入發(fā)展，重在深化認識，重在不斷實踐。應(yīng)將民生理念貫穿于水利建設(shè)、管理、改革各個方面，體現(xiàn)在政策制定、工作部署、項目安排、業(yè)績考核等各項工作中，把民生水利發(fā)展成效作為水利貫徹群眾路線的重要標準，努力開創(chuàng)民生水利發(fā)展新局面。

式中，

、

、

分別為單體電池在

、

、

方向上的平均導熱系數(shù)[W/(m·K)]；

φ

為各層材料導熱系數(shù)[W/(m·K)]；d

x

為

種材料在

方向上厚度(mm)；d

x

、d

z

同理；

L

為

種材料在

方向長度(mm)；

L

、

L

同理。

在CFD仿真軟件中對電池組模型進行1 C放電倍率仿真計算，單體電池數(shù)據(jù)采用上文計算值，初始及邊界條件設(shè)置為：環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃，空氣對流換熱系數(shù)為2.0 W/(m

·K)

，最大物理時間設(shè)置為3600 s。1 C 放電倍率下仿真結(jié)果如圖3 所示，電池組中間溫度最高，逐漸向四周降低。電池組溫度最高約為39.2 ℃，最低約為37.6 ℃，溫差最大約為1.6 ℃。

綜上所述，通過對內(nèi)江市花萼濕地公園景觀設(shè)計工程的研究能夠發(fā)現(xiàn)，由于其處于所在地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護中心區(qū)域，所以其在景觀建設(shè)上充分地凸顯出了具有區(qū)域特色的城市濕地空間設(shè)計，在綠植的種植方面也進行了科學合理的設(shè)計，充分利用當?shù)氐臍v史人文景觀資源，借以提升該城市濕地公園建設(shè)對于生態(tài)環(huán)境保護的應(yīng)用價值。另一方面，通過對本文的分析能夠發(fā)現(xiàn)，生態(tài)城市的建設(shè)以及城市環(huán)境及應(yīng)用資源的保護對于實現(xiàn)城市可持續(xù)化發(fā)展具有重要促進作用。

3.3 仿真結(jié)果分析

通過仿真數(shù)據(jù)采集，對不同質(zhì)量流量下(0.2、0.6、1.0、1.5 和2.0 kg/s)兩種結(jié)構(gòu)的電池組最高溫度、最大溫差和冷卻用時進行對比分析。

圖5 為0.2 kg/s 與2.0 kg/s 質(zhì)量流量單向流通結(jié)構(gòu)電池組溫度分布與各單體電池溫度變化曲線。當質(zhì)量流量為0.2 kg/s 時，如圖5(a)所示，觀察電池組溫度分布圖，發(fā)現(xiàn)冷卻液在該結(jié)構(gòu)的冷卻液進口部分溫度較低，而在出口部分溫度較高，導致電池組前部分單體電池溫度均小于后部分單體電池；由各單體電池溫度變化曲線可知，冷卻系統(tǒng)啟動時，電池組中各單體電池隨冷卻液流向依次開始降溫，冷卻過程中電池組溫度一致性不良。當質(zhì)量流量為2.0 kg/s 時，如圖5(b)所示，觀察電池組溫度分布圖，冷卻結(jié)構(gòu)中較低溫度的冷卻液的占比較質(zhì)量流量為0.2 kg/s時增大；觀察其各單體電池溫度變化曲線，在冷卻系統(tǒng)啟動后，各單體電池溫度均異常升高，與質(zhì)量流量為0.2 kg/s相同的是，每塊電池的冷卻也均不同步，冷卻過程中溫度一致性不良。對比兩個溫度變化曲線末端，質(zhì)量流量為2.0 kg/s時各單體電池之間溫差比質(zhì)量流量為0.2 kg/s 時小，溫度一致性較好。

冷卻后不同質(zhì)量流量下兩種冷卻結(jié)構(gòu)電池組的最高溫度對比如圖9所示。從圖中可以看出，兩種冷卻結(jié)構(gòu)下電池組最高溫度均隨質(zhì)量流量增大而減小。當質(zhì)量流量為0.2 kg/s時，雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)的電池組最高溫度小于單向流通結(jié)構(gòu)；在質(zhì)量流量為0.6 kg/s、1.0 kg/s與1.5 kg/s時，雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)的電池組溫度均大于單向流通結(jié)構(gòu)；而當質(zhì)量流量為2.0 kg/s 時，單向流通結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生冷卻液溫度異常升高，導致單向流通結(jié)構(gòu)的電池組最高溫度大于雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)。

平均密度公式如下：

圖10 為不同質(zhì)量流量下兩種冷卻結(jié)構(gòu)的最大溫差。從圖10 可以看出，各質(zhì)量流量下，雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)的電池組最大溫差均小于單向流通結(jié)構(gòu)。單向流通結(jié)構(gòu)電池組最大溫差隨質(zhì)量流量的增大，先快速下降，然后平緩，在接近2.0 kg/s時，又出現(xiàn)上升趨勢。雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)電池的最大溫差隨質(zhì)量流量增大，先上升，然后趨于水平，受質(zhì)量流量變化的影響逐漸降低。

3.3.3 冷卻用時

將通過試驗儀器測得的振型與理論計算軟件得出的振型進行比較，振型比較如圖10所示。由圖10可知，1階振型圖是邊緣2個對稱點之間的彎曲振動，3階振型圖是中間部分的垂直上下彎曲振動，4階振型圖與5階振型圖是飛輪邊緣的彎曲振動，6階振型圖是飛輪內(nèi)部的扭轉(zhuǎn)振動。

本文統(tǒng)一采用電池組從30 ℃冷卻至27 ℃的用時作為冷卻用時標準。圖11 為不同質(zhì)量流量下兩種結(jié)構(gòu)的冷卻用時對比圖。如圖11 所示，單向流通結(jié)構(gòu)電池組的冷卻用時在不同質(zhì)量流量下均小于雙向結(jié)構(gòu)，但隨著質(zhì)量流量的增大，雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)電池組冷卻用時有減少趨勢，而單向流通結(jié)構(gòu)電池組冷卻用時有增多趨勢。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了方形磷酸鐵鋰電池電化學-熱耦合模型，進行了1 C下電池組生熱仿真計算，在自然對流環(huán)境下，電池中部溫度較高，溫度較為集中，溫差較大。根據(jù)電池組發(fā)熱情況，設(shè)計了單向流通結(jié)構(gòu)和雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)的兩種蛇形冷卻系統(tǒng)，進行了不同質(zhì)量流量下兩種結(jié)構(gòu)的冷卻性能仿真對比分析，得出結(jié)論如下：

潘美麗扭著短粗的脖子，剜了丁主任一眼：你是給我老爸添麻煩。丁主任的臉更紅了，甲洛洛趕忙轉(zhuǎn)移視線：都是我的責任，不關(guān)丁主任的事，但我一定會查清楚，請大家放心。

（1）電池組在單向流通結(jié)構(gòu)中溫升相比于雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)較快。兩種結(jié)構(gòu)的最大電池溫度隨著質(zhì)量流速的增加而逐漸降低。

女人松開她的手，順著腳前一個斜坡地槽走下去，仰著臉說：“這個地窩子，是五連同志們昨天專門為你騰出來的，好用著呢，冬暖夏涼，別嫌棄。妹子，五連可是英雄的五連，個個都是好漢。我家老刀說，這是將軍講的?！迸丝粗镏痉疾豢吓膊?，又說：“妹子，暫時住段時間，放心吧，楊連長已給你另有安排?！?/p>

（2）在所討論的任一質(zhì)量流量下，雙向?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)電池組在冷卻達到穩(wěn)態(tài)溫度時的最大溫差均小于單向流通結(jié)構(gòu)，單向流通結(jié)構(gòu)電池組在冷卻達到穩(wěn)態(tài)溫度的用時均小于雙向流通結(jié)構(gòu)。

（3）本文僅對固定質(zhì)量流量進行了研究分析，后續(xù)還可進行動態(tài)質(zhì)量流量分析，從而降低動力電池組的自身能耗，提高電池組的冷卻效果。

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