朱澤華,吳笑宇,張恒運(yùn)
(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,上海 201620)
鋰離子電池由于能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低等優(yōu)點(diǎn),逐漸替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù),作為電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力源[1]。溫度對(duì)電池性能的影響最直接和最普遍。鋰離子電池可接受的工作溫度范圍在(?20~50)oC之間[2],并且電池模組的溫差應(yīng)控制在5oC 以下[3]。
因此,開(kāi)發(fā)一種高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是必要的。液冷由于具有高冷卻效率,而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在的商用電動(dòng)汽車(chē)中,如文獻(xiàn)[4]等。
下文提出了一種新型的液冷熱擴(kuò)散結(jié)構(gòu),采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和優(yōu)化。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種應(yīng)用廣泛的多因素試驗(yàn)方法[5],它能對(duì)多個(gè)因素進(jìn)行敏感度分析,并給出優(yōu)化方案。根據(jù)影響因素的個(gè)數(shù)和水平數(shù),選擇L25(56)正交表。結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對(duì)正交表中25組試驗(yàn)進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)極差分析和方差分析,找出了影響最顯著的因素,然后分析導(dǎo)熱柱半徑、熱擴(kuò)散板厚度、電池間距、導(dǎo)熱柱高度四個(gè)因素對(duì)電池模組熱特性的影響,并得到多指標(biāo)下統(tǒng)籌的優(yōu)化方案。為進(jìn)一步提高電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的工作性能提供了參考依據(jù)。
選擇(5×5)正方形電池模組作為研究對(duì)象。電池模組的液冷結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1(a)所示。冷板位于電池的底部,電池與冷板間有一層1mm厚的絕緣墊片,以降低漏液而造成電池短路的風(fēng)險(xiǎn)。
電池的上部裝有熱擴(kuò)散板,熱擴(kuò)散板上設(shè)計(jì)有5mm高的套筒,套筒厚1mm與電池壁面接觸,增加了換熱面積。熱擴(kuò)散板通過(guò)分散在電池四周的導(dǎo)熱柱與冷板相連。
電池產(chǎn)生的熱量既可從底部通過(guò)絕緣墊片和冷板被冷卻液帶走,又可從側(cè)面通過(guò)熱擴(kuò)散板、導(dǎo)熱柱和冷板被冷卻液帶走。由于電池模組側(cè)面絕熱,近似左右對(duì)稱(chēng),為了減少計(jì)算量,選用沿流道方向5個(gè)電池單元的子模組進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,如圖1(b)所示。
圖1 電池模組的液冷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the Cooling Configuration for Battery Module
圖1(b)展示了數(shù)值模型的具體結(jié)構(gòu)。每個(gè)電池底部有五個(gè)直行流道,每個(gè)流道的截面積為(2×8)mm,相鄰流道間的中心距為4mm,采用去離子水做為冷卻液。熱擴(kuò)散板距離電池底部49mm,導(dǎo)熱柱穿過(guò)絕緣墊片連接熱擴(kuò)散板與冷板,導(dǎo)熱柱在電池的周?chē)嚵信挪肌?/p>
由于電池模組通常位于狹小密閉的空間,電池周?chē)目諝庖资軣?,因此電池間隙中空氣也被考慮在內(nèi),為了便于計(jì)算,未考慮電池壁面與空氣間的對(duì)流換熱,而是將電池壁面與空氣間的換熱方式當(dāng)作導(dǎo)熱來(lái)處理??紤]到輕量化設(shè)計(jì),熱擴(kuò)散板、導(dǎo)熱柱、冷板的材料均為鋁6063。
數(shù)值模擬中各材料的熱物性,如表1所示。
表1 數(shù)值模擬中各材料的熱物性Tab.1 Thermo-Physical Properties of Materials
數(shù)值模型中的假設(shè)如下:
(1)冷卻液為不可壓縮的牛頓流體。
(2)所有材料的熱物性參數(shù)都是恒定的常數(shù)。
(3)不考慮接觸熱阻。
(4)忽略模型側(cè)面和底面的熱損失,將頂部設(shè)為自然對(duì)流。
(5)忽略空氣與電池壁面之間的對(duì)流換熱,將其當(dāng)成導(dǎo)熱來(lái)處理。
電池的能量守恒方程如下:
式中:ρb、cb—電池的密度和比熱容;kb—電池的導(dǎo)熱系數(shù);qgen—電池的生熱率。
冷卻液的能量守恒方程如下:
式中:ρw、cw、kw—冷卻液的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù);Tw—冷卻液的溫度—冷卻液的速度矢量。
冷卻液的連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程如下:
式中:P、μw—水的靜壓和動(dòng)力粘度。在此,通過(guò)雷諾數(shù)Re來(lái)定義冷卻液的流動(dòng)狀態(tài)。
式中:Ac—流道的橫截面積;Pc—流道的濕周;hc和wc—流道的高度和寬度;Dh—流道的水力直徑。
流道的進(jìn)口和出口分別設(shè)置為速度進(jìn)口和壓力出口,進(jìn)口溫度等于環(huán)境溫度Ta=35℃,進(jìn)口速度和出口壓力均為恒定值,相對(duì)壓力為零。在4?5.3節(jié)中,所有算例的冷卻液進(jìn)口速度均為0.1m/s。在5.4 節(jié)中,討論冷卻液進(jìn)口速度從0.2m/s 降低到0.01m/s 的影響,冷卻液始終處于層流狀態(tài)。數(shù)值模型兩側(cè)的表面設(shè)為對(duì)稱(chēng)面,頂部設(shè)置為自然對(duì)流,對(duì)流系數(shù)換熱系數(shù)h=5W/m2K[7],其余表面均假設(shè)為絕熱。
在Ansys Meshing 17.0中,對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,全局網(wǎng)格尺寸為0.4mm。選用Fluent 17.0軟件中的傳熱和層流模型,對(duì)三維數(shù)值模型進(jìn)行瞬態(tài)仿真。采用基于壓力?速度的雙精度耦合求解器。為了增加梯度的計(jì)算精度,激活Warped?Face Gradient Correction 選項(xiàng)。當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)從0.2s增加到0.5s時(shí),電池的溫度差異小于0.03%,因此選用0.5s作為時(shí)間步長(zhǎng)。
采用一種改進(jìn)的量熱法對(duì)LG 18650鋰離子電池的生熱率進(jìn)行測(cè)量[8]。在電池上部、中部、下部三個(gè)不同的位置分別放置了K型熱電偶來(lái)監(jiān)測(cè)電池的平均溫度,如圖2(a)所示。然后在電池周?chē)艘粚託饽z,近似絕熱的情形。將電池放置在環(huán)境溫度為35oC的恒溫箱中(蘇盈GDJ?250C),使用電池測(cè)試系統(tǒng)(新威CT?4008?5V60A?NFA)對(duì)電池進(jìn)行恒流放電,采用日置LR8410?30記錄溫度數(shù)據(jù)。
圖2 電池表面熱電偶的位置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比Fig.2 The Location of Thermocouples on the Surface of the Battery and Comparison Between Experimental and Simulated Results
將測(cè)得的電池生熱率通過(guò)自定義函數(shù)(UDF)的方式代入到Fluent 17.0中,由圖2(b)可知,在自然對(duì)流下,仿真得到的電池模型的溫升曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電池溫升曲線吻合得很好,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果間最大的偏差出現(xiàn)在放電結(jié)束時(shí),為0.94oC。對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了電池模型的準(zhǔn)確性。
正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種利用排列整齊的正交表來(lái)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、綜合分析和比較,實(shí)現(xiàn)通過(guò)少數(shù)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)找到較好的生產(chǎn)工藝和條件[9]。它的優(yōu)點(diǎn)是盡可能地減少試驗(yàn)的次數(shù),節(jié)約大量的時(shí)間,并能從多個(gè)參數(shù)中分析出主次要影響因素。因此將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用于液冷電池模組熱性能的優(yōu)化,詳細(xì)的流程,如圖3所示。首先要選擇合適的正交表,其次在獲取試驗(yàn)結(jié)果之后對(duì)單指標(biāo)進(jìn)行極差和方差分析,最后通過(guò)綜合分析得出多指標(biāo)下的優(yōu)化方案。
圖3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用及相應(yīng)分析流程Fig.3 Flow Chart of the Orthogonal Experimental Design and Analysis Methodology
將導(dǎo)熱柱半徑rco、熱擴(kuò)散板厚度tsp、電池間距sb和導(dǎo)熱柱高度hco作為四個(gè)關(guān)鍵因素,研究不同參數(shù)組合,對(duì)電池模組3C放電時(shí)熱性能的影響。這四個(gè)變量的設(shè)計(jì)范圍及基準(zhǔn)算例,如表2 所示。為了保證設(shè)計(jì)的精度,每個(gè)因素取5個(gè)水平,電池模組的最高溫度Tmax和溫差?T作為優(yōu)化指標(biāo)。
表2 基準(zhǔn)算例及四個(gè)因素的設(shè)計(jì)范圍Tab.2 Baseline Case and Design Space of Four Factors
根據(jù)影響因素的個(gè)數(shù)及其相應(yīng)的水平,選用L25(56)正交表,如表3 所示。在對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行方差分析時(shí),必須估計(jì)隨機(jī)誤差,而隨機(jī)誤差是通過(guò)正交表上空白列得到的。由于空白列中沒(méi)有因素作用,因此正好反映隨機(jī)因素所引起的誤差,該空白列在方差分析中常被稱(chēng)為誤差列[10]。應(yīng)用CFD軟件Fluent 17.0對(duì)這25種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬(3C的放電倍率),并得出不同因素組合下電池模組的最高溫度(Tmax)和溫差(?T),相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果(3C放電結(jié)束時(shí))如表3最右兩列所示。
表3 L25(56)正交設(shè)計(jì)表及相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果Tab.3 L25(56)Orthogonal Design Table and its Results
基于表3中的數(shù)值模擬結(jié)果,先對(duì)電池模組的最高溫度進(jìn)行極差分析。根據(jù)式(7)~式(9),分析結(jié)果,如圖4所示。
圖4 基于電池最高溫度的不同影響因素極差值Fig.4 Range Values of Design Variables in the Maximum Temperature
式中:j—因素,j=rco,tsp,sb,hco;i—水平,i=1,2,3,4,5;Kij—正交表中,j因素對(duì)應(yīng)的第i個(gè)水平的最高溫度之和;kij為Kij的平均值;Rj為j因素的極差,該值越大,說(shuō)明j因素對(duì)優(yōu)化指標(biāo)的影響越顯著。
從圖4中可以看出,導(dǎo)熱柱半徑(rco)的極差值最大(12.12),占四個(gè)因素極差值之和(12.12+1.45+0.48+1.01)的80.47%。熱擴(kuò)散板厚度(tsp)、電池間距(sb)以及導(dǎo)熱柱高度(hco)的極差值分別占極差值總和的9.63%、3.2%和6.7%。所以,對(duì)于電池模組的最高溫度來(lái)說(shuō),各因素影響的顯著性順序?yàn)椋簉co>tsp>hco>sb電池模組的最高溫度隨各因素不同水平的變化情況,如圖5所示。
圖5 各因素不同水平對(duì)電池模組最高溫度的影響:(a)導(dǎo)熱柱的半徑,(b)熱擴(kuò)散板的厚度,(c)電池的間距,(d)導(dǎo)熱柱的高度Fig.5 Effect of Factors in Different Levels on the Maximum Temperature of Battery Module:(a)rco,(b)tsp(c)sb(d)hco
如圖5(a)所示,隨著rco的增加,最高溫度持續(xù)降低,當(dāng)rco從1mm增大到5mm時(shí),最高溫度從57.65oC降低到45.53oC。由于rco對(duì)電池模組的最高溫度起主導(dǎo)作用,為了使最高溫度不超過(guò)50oC,導(dǎo)熱柱的半徑應(yīng)大于2.5mm。在圖5(b)中,電池模組的最高溫度隨tsp的增加而降低,并且降低的趨勢(shì)逐漸變緩。當(dāng)tsp=2mm時(shí),模組的最高溫度最小為50.41oC。sb對(duì)最高溫度的影響如圖5(c)所示,隨著電池間距的增加,模組的最高溫度先增大后降低,當(dāng)sb為2mm時(shí),模組的最高溫度最小,為50.48oC。從圖5(d)中可以看出,當(dāng)hco為45mm時(shí),電池模組的最高溫度達(dá)到最小值,為50.16oC。若先不考慮溫差,為獲得最低的溫度,各因素最優(yōu)的水平搭配為:rco?5mm,tsp?2mm,sb?2mm,hco?45mm。
極差分析雖然能得出主次影響因素,并確定各因素所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)水平,但是不能區(qū)分是各因素不同水平引發(fā)的數(shù)據(jù)波動(dòng)還是誤差所造成的數(shù)據(jù)波動(dòng)。同時(shí),也不能對(duì)各因素的顯著性進(jìn)行準(zhǔn)確地定量地評(píng)估[11]。因此,為了彌補(bǔ)極差分析的不足,采用方差分析對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果,如表4所示。
表4 電池模組最高溫度的方差分析Tab.4 The Variance Analysis of Maximum Temperature
方差分析相關(guān)的計(jì)算公式如下所示[12]。各因素總的離差平方和為:
式中:j—因素,j=rco,tsp,sb,hco;i—水平,i=1,2,3,4,5;m—各因素的同一水平在表3~表4中出現(xiàn)的次數(shù)(m=5);r—總的水平數(shù)(r=5);n—總的試驗(yàn)次數(shù)(n=25);l—試驗(yàn)的序號(hào);Tmaxl—第l次試驗(yàn)所計(jì)算得到的最高溫度。各因素的臨界值可查詢F分布分位數(shù)表。
從表4可以看到rco的F值最大,為973.73,tsp的F值次之,取值為14.93,都大于F0.99(4,8)=7.01,說(shuō)明rco、tsp這兩個(gè)因素對(duì)電池模組最高溫度的影響都非常顯著。hco的F值為6.87,大于F0.95(4,8)=3.84但小于F0.99(4,8)=7.01,說(shuō)明hco對(duì)最高溫度的影響顯著。電池間距(sb)的F值最小,為1.59小于F0.90(4,8)=2.81,說(shuō)明sb對(duì)最高溫度的影響不顯著。
除了電池最高溫度,電池溫差是液冷電池模組熱性能的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),針對(duì)溫差的極差分析結(jié)果,如圖6所示。rco的極差值依舊最大為1.98,它占四個(gè)因素極差值之和的79.2%。其次為sb,其極差值為0.2,占極差值之和的8%。hco和tsp的極差值均較小,占極差值總和的6.8%和6%。由此可見(jiàn),對(duì)于電池模組的溫差而言,rco仍為主要影響因素,各因素影響的顯著性順序如下:rco>sb>hco>tsp。
圖6 基于電池溫差的不同影響因素極差值Fig.6 Range Values of Design Variables in the Temperature Difference
在圖7(a)中,隨著rco的增加,電池模組的溫差先減小后增加,當(dāng)rco=2mm時(shí),模組的溫差達(dá)到最小為3.40oC。當(dāng)rco>4mm時(shí),模組的溫差超過(guò)5.21oC,這將滿足不了溫差小于5oC的設(shè)計(jì)要求,因此對(duì)于主要影響因素rco來(lái)說(shuō),導(dǎo)熱柱的半徑不能超過(guò)4mm。從圖7(b)中可以看出,當(dāng)tsp為2mm 時(shí),電池模組的溫差有最小值4.38oC。在圖7(c)中,隨著sb的增加,電池模組的溫差不斷地降低,且下降的趨勢(shì)逐漸變緩。當(dāng)sb從2mm增大到6mm時(shí),模組的溫差從4.59oC 降到了4.39oC。如圖7(d)所示,當(dāng)hco=47.5mm 時(shí),電池模組的溫差達(dá)到最小為4.38oC。因此,若暫不考慮電池模組的最高溫度,為獲得最低的溫差,各因素較優(yōu)的水平配方為:rco?2mm,tsp?2mm,sb?6mm,hco?47.5mm。
圖7 各因素不同水平對(duì)電池模組溫差的影響:(a)導(dǎo)熱柱的半徑,(b)熱擴(kuò)散板的厚度,(c)電池的間距,(d)導(dǎo)熱柱的高度Fig.7 Effect of Factors in Different Levels on the Temperature Differ‐ence of Battery Module:(a)rco,(b)tsp(c)sb(d)hco
對(duì)電池模組的溫差進(jìn)行方差分析,結(jié)果,如表5所示。rco的F值為112.4,遠(yuǎn)大于F0.99(4,8)=7.01,說(shuō)明rco對(duì)電池模組溫差的影響非常顯著。tsp、sb和hco的F 值分別為0.7、1.53 和1,均小于F0.90(4,8)=2.81,這表明因素tsp、sb、hco對(duì)電池模組溫差的影響不顯著。
表5 電池模組溫差的方差分析Tab.5 The Variance Analysis of Temperature Difference
對(duì)于多指標(biāo)優(yōu)化,不同因素水平對(duì)不同指標(biāo)的影響是不同的,可能在優(yōu)化某一指標(biāo)的同時(shí),另一指標(biāo)卻在惡化。針對(duì)上述問(wèn)題,采用綜合平衡法對(duì)電池模組的最高溫度和溫差進(jìn)行統(tǒng)籌分析。
(1)rco對(duì)電池模組的最高溫度和溫差來(lái)說(shuō),是主要的影響因素。rco越大,最高溫度越低,但是溫差也隨之變大。為了保證最高溫度低于50oC,同時(shí)溫差低于5oC,rco應(yīng)大于2mm;小于4mm,因此rco取最接近的3mm水平是合適的。
(2)tsp取2mm時(shí),電池模組的最高溫度和溫差均最小,熱管理系統(tǒng)的熱性能最好。
(3)sb對(duì)于電池模組的最高溫度和溫差來(lái)說(shuō),均為次要影響因素。當(dāng)sb從2mm增大到6mm時(shí),最高溫度上升了0.46oC,溫差下降了0.2oC,兩指標(biāo)的變化旗鼓相當(dāng)。因此,折中選取,sb確定為4mm。
(4)hco對(duì)于電池模組的最高溫度來(lái)說(shuō),是顯著的影響因素,對(duì)于溫差來(lái)說(shuō),影響不顯著。當(dāng)hco=45mm時(shí),最高溫度最低;當(dāng)hco=47.5mm時(shí),溫差最小。
當(dāng)hco從47.5mm降到45mm時(shí),最高溫度降低了0.55oC,而溫差僅上升了0.04oC,因此當(dāng)hco選擇45mm時(shí),冷卻效果會(huì)相對(duì)更好一些。
基于上述分析,最終統(tǒng)籌的優(yōu)化方案為:rco?3mm,tsp?2mm,sb?4mm,hco?45mm,稱(chēng)之No.26方案,對(duì)其進(jìn)行建模和數(shù)值模擬,最高溫度和溫差結(jié)果于圖8。
圖8 3C放電結(jié)束時(shí),不同方案中(a)Tmax和(b)?T的對(duì)比Fig.8 Maximum Temperature and Temperature Difference Comparison of Different Solutions at the End of 3C Discharge
并和表3中,最高溫度小于50oC且溫差小于5oC的方案進(jìn)行對(duì)比,方案包括No.12?16和No.20等6組方案。
最終的優(yōu)化方案No.26在將最高溫度控制在48.78oC以下的同時(shí),還提升了模組的溫度一致性,將溫差控制在了一個(gè)新低值4.27oC,如圖8(b)所示。
本優(yōu)化方案也和電池溫度最低(46.35oC)、但溫差較大(4.89oC)的No.20方案進(jìn)行對(duì)比,溫度云圖,如圖9所示??梢钥吹絅O.26的整體溫差較小。
圖9 3C放電結(jié)束時(shí),No.20、26中電池模組的溫度云圖Fig.9 Computed Temperature Contours of the Battery Module of No.20 and No.26 at the End of 3C Discharge
3C放電結(jié)束時(shí),電池模組的最高溫度和溫差隨進(jìn)口流速的變化關(guān)系,如圖10所示。隨著進(jìn)口速度的增大,模組的最高溫度和溫差均下降,且下降的趨勢(shì)逐漸變緩。
其中No.20的最高溫度低于基準(zhǔn)算例和No.26。但是No.20的溫差要高于基準(zhǔn)算例和No.26,相比之下No.26的最高溫度和溫差均低于基準(zhǔn)算例。
由圖10(a)可知,當(dāng)進(jìn)口速度小于0.03m/s時(shí),基準(zhǔn)算例的最高溫度將會(huì)超過(guò)50oC,而No.20和No.26在(0.01~0.2)m/s間均能將最高溫度控制在50oC以下。
但是,當(dāng)進(jìn)口速度小于0.03m/s 時(shí),No.20 的溫差將會(huì)超過(guò)5oC,如圖10(b)所示。當(dāng)進(jìn)口速度進(jìn)一步降到0.01m/s 時(shí),基準(zhǔn)算例的溫差也將超過(guò)5oC。唯有No.26 的溫差始終控制在4.7oC以下。
圖10 在3C結(jié)束時(shí),(a)Tmax和(b)?T隨進(jìn)口速度的變化Fig.10 Variation of Tmax and ?T Versus Different Inlet Velocities at the End of 3C Discharge
對(duì)于方案No.26 來(lái)說(shuō),即使在低流速和低泵功消耗的情況下,依舊能將模組的最高溫度和溫差控制在要求的范圍內(nèi)。
由上述分析可知,最終的優(yōu)化方案No.26的熱性能顯然比基準(zhǔn)算例和No.20更加穩(wěn)定和可靠。
以(5×5)圓柱電池模組的液冷復(fù)合結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,通過(guò)將CFD模型與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式,研究了導(dǎo)熱柱半徑rco、熱擴(kuò)散板厚度tsp、電池間距sb、導(dǎo)熱柱高度hco四個(gè)結(jié)構(gòu)因素對(duì)電池模組熱性能的影響。
由極差分析和方差分析確定了影響電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)熱性能的主次因素,并通過(guò)綜合平衡法得出了最終統(tǒng)籌的優(yōu)化方案為No.26:rco?3mm,tsp?2mm,sb?4mm,hco?45mm。
即使在低流速情況下,No.26依舊能將電池模組的最高溫度和溫差控制在50oC和4.7oC以下。