動(dòng)力鋰離子電池風(fēng)冷散熱CFD仿真

王 盛,任潤(rùn)國,尉慶國,袁文奇

(1.中北大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 太原 030051;2.山西新能源汽車工業(yè)有限公司, 山西 晉中 030600;3.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司, 內(nèi)蒙古 包頭 014032)

0 引言

隨著新能源汽車在全球范圍內(nèi)的大力推廣,基于新能源賽車的汽車競(jìng)技運(yùn)動(dòng)得到了快速發(fā)展。賽車屬于極限運(yùn)動(dòng),其行駛工況相對(duì)普通民用汽車更加的極端和多變,動(dòng)力電池系統(tǒng)極易出現(xiàn)過熱或散熱不良的現(xiàn)象[1-2]。在國外FE方程式世錦賽和國內(nèi)FSEC方程式汽車大賽中,由于電池溫升異常導(dǎo)致賽車失去動(dòng)力的事件頻頻發(fā)生[3]。

近年來國內(nèi)外技術(shù)人員對(duì)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)做了大量研究。Saw等[4]和Qin等[5-6]用CFD方法對(duì)電池風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的散熱能力進(jìn)行了仿真研究,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了CFD仿真方法的可行性;Yang等[7-8]和張繼華等[9]通過數(shù)值仿真的方法發(fā)現(xiàn)了電池箱內(nèi)部空氣流道、進(jìn)出口位置、流體參數(shù)等因素會(huì)對(duì)電池包溫升和溫差變化有較大的影響;夏博妍[10]采用窮舉法和遺傳算法探究了進(jìn)風(fēng)速度、電池間隙等因素對(duì)散熱系統(tǒng)的影響,并根據(jù)影響次序?qū)τ谠桨高M(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化后的方案有較好的散熱效果,但整個(gè)探究過程工作量巨大,仿真實(shí)驗(yàn)達(dá)40余次;同樣是風(fēng)冷散熱優(yōu)化問題,李淼林等[11]采用正交試驗(yàn)法,通過較少次數(shù)的迭代計(jì)算,遴選出了較為理想的散熱方案。綜上,CFD數(shù)值仿真和正交實(shí)驗(yàn)法在風(fēng)冷散熱優(yōu)化研究方面應(yīng)用較為廣泛,且可使研究工作效率更高。

為了解決電動(dòng)賽車在FSEC競(jìng)賽中散熱不良的問題[12],本文基于賽事工況,采用CFD數(shù)值仿真和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法,以最高溫度和溫差最小化作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)原散熱方案進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)為了減少非必要的迭代步驟,提高優(yōu)化效率,本研究在考慮三大優(yōu)化指標(biāo)的同時(shí)將充分結(jié)合電池包溫度的均布性和電池箱體熱量的聚集情況等因素,對(duì)散熱方案進(jìn)行對(duì)比遴選和優(yōu)化分析。最后將通過仿真計(jì)算和實(shí)車跑動(dòng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)新散熱方案的可行性和仿真結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 電池Pack散熱系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

1.1 電池Pack結(jié)構(gòu)與組成

本文研究的是適配于FSEC電動(dòng)方程式賽車的動(dòng)力電池Pack,電池包共由35個(gè)單體電池分5個(gè)模組,按照35S1P的方式組合而成。所采用的單體電池是由中航鋰電公司生產(chǎn)的L148N50B型方殼鎳鈷錳酸鋰電池,長(zhǎng)為148 mm,寬為26.8 mm,高為98 mm,額定容量為50 A,標(biāo)稱電壓為3.65 V,最大電壓為4.3 V,如圖1所示。每個(gè)模組由7個(gè)單體電池串聯(lián)組成,額定電壓為25.55 V。整個(gè)電池Pack額定電壓為127.75 V,額定能量為6.39 kW·h,最大電壓為150 V,最大能量為7.525 kW·h。

圖1 電池Pack散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化模型

1.2 放電工況分析及熱管理目標(biāo)設(shè)定

為了近似模擬競(jìng)賽實(shí)際放電工況,同時(shí)考慮到賽事競(jìng)爭(zhēng)激烈,賽況多變等因素,本文在FSEC常規(guī)模擬工況[13](1C 30 min和2C 30 s)的基礎(chǔ)上增設(shè)了極限放電狀態(tài)工況,如表1所示。

表1 模擬FSEC賽事放電工況

同時(shí)根據(jù)所選電池的具體規(guī)格和FSEC大賽規(guī)則[12]確定了電池Pack熱管理計(jì)目標(biāo),最高溫度≤40 ℃,最大溫差≤5 ℃。

1.3 電池Pack散熱量計(jì)算

鎳鈷錳酸鋰電池屬于聚合物鋰離子電池,在其內(nèi)部會(huì)有微觀粒子間的熱傳導(dǎo),在其表面會(huì)和空氣進(jìn)行熱對(duì)流。對(duì)流熱換遵循牛頓冷卻定律[3],電芯內(nèi)部熱傳導(dǎo)遵循傅里葉傳熱定律[14],因此不同放電倍率下的總生熱量在一定程度上可等效為系統(tǒng)所需的總散熱量,可由式(1)進(jìn)行確定:

Q總=q總V總

(1)

式中:Q總代表動(dòng)力電池總產(chǎn)熱量,W;q總代表所有單體電池生熱速率,W/m3;V總代表所有單體電池體積,m3。

本文研究的是電池瞬態(tài)生熱問題,故選用Bernardi[15]模型對(duì)電池的生熱速率模型進(jìn)行建立,同時(shí)考慮到可逆熱部分在電池總產(chǎn)熱值中占比很小,故所研究電池的生熱速率公式簡(jiǎn)化如下:

(2)

式中:q表示電池生熱速率,W/m3;I表示放電電流,A;V表示單體電池體積,m3;R表示電池等效內(nèi)阻,Ω。

在對(duì)電池Pack散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前,通過HPPC實(shí)驗(yàn)對(duì)所研究單體電池的等效內(nèi)阻進(jìn)行了探究,經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到電池等效內(nèi)阻和SOC在25℃下的函數(shù)關(guān)系式如下:

R=0.022 5x5-0.0519x4+0.0326x3+

0.002 9x2-0.007 1x+0.002 4

(3)

式中,x即為SOC。

由Cheng等[16]的研究可知,時(shí)間與SOC的關(guān)系,如式(4)所示。

(4)

式中:SOCold代表初始電荷狀態(tài),為1;I為放電電流,A;CR為單體電池的額定容量,Ah。

聯(lián)立式(1)—式(4),得到生熱速率與放電時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式,然后依據(jù)此函數(shù)關(guān)系求得電池Pack在2C倍率放電30 s后所需要的散熱量為0.525 kW,在1C倍率放電1 800 s后所需散熱量為2.103 kW。

1.4 散熱風(fēng)扇風(fēng)量的計(jì)算

根據(jù)不同工況下電池組的產(chǎn)熱總量,對(duì)風(fēng)扇的散熱量進(jìn)行計(jì)算,由式(5)確定。

(5)

式中:CFM為風(fēng)扇流量,m3/min;ρ為空氣密度,1.29 kg/m3;Cp為空氣比熱容,1 005 J/(kg·k);Δt為電池箱進(jìn)出口溫差,20 K;出風(fēng)口溫度取為 318 K,進(jìn)風(fēng)口溫度取為298 K。

經(jīng)計(jì)算2C放電30 s所需風(fēng)量為1.2 m3/min;1C放電30 min所需風(fēng)量為4.83 m3/min。對(duì)于直徑50 mm的進(jìn)風(fēng)口,進(jìn)風(fēng)速度等效為3 m/s。

1.5 電池Pack散熱系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

結(jié)合上述物理參數(shù)同時(shí)考慮到方程式賽車空間的緊湊性,故將5個(gè)模組采用3行2列的形式進(jìn)行排布,同時(shí)設(shè)置單體電池間隙1 mm;電池模組縱向間隙2 mm,橫向間隙10 mm。除了對(duì)模組排布外,還對(duì)熱管理系統(tǒng)其他電氣元器件進(jìn)行了布置,如圖1所示。最終箱體尺寸為544 mm×419 mm×164 mm,進(jìn)風(fēng)口和散熱風(fēng)扇均設(shè)置了1個(gè),箱體背面的出氣口設(shè)計(jì)為6個(gè)。

2 電池Pack散熱系統(tǒng)初步熱仿真

為了分析初始設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)的散熱能力和存在的問題,對(duì)電池Pack在各個(gè)工況下的溫度變化情況進(jìn)行仿真研究。

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

對(duì)初始設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要簡(jiǎn)化,如圖2所示。將簡(jiǎn)化后的模型在Design Modeler中劃分為電池固體區(qū)域和箱體空氣區(qū)域2個(gè) 部分,并設(shè)置1個(gè)進(jìn)氣口和6個(gè)出氣口。

將處理好的模型更新至Mesh中,對(duì)模型進(jìn)出口流體復(fù)雜處采用局部加密,同時(shí)在壁面處設(shè)置1 mm厚膨脹層。加密后劃分的網(wǎng)格總數(shù)為 2 857 496,節(jié)點(diǎn)數(shù)量為778 298個(gè),網(wǎng)格平均正交質(zhì)量0.63,平均偏斜度為0.26,最小斜度為0.049,均滿足要求。

圖2 電池Pack在“1C 30 min”工況下仿真結(jié)果

2.2 邊界條件的設(shè)置及求解

根據(jù)所研究電池的熱物性規(guī)格參數(shù),在Fluent中設(shè)置電池的等效密度ρ為2 218 kg/m3;比熱容cp為1 060 J/(kg·K);等效導(dǎo)熱系數(shù)λx、λy、λz分別為23.4、5.3、17.4 W/(m·K)。根據(jù)式 (1)—式(4)對(duì)各個(gè)工況下的UDF文件進(jìn)行編譯。將各個(gè)工況下的UDF文件加載到電池cell熱源中,設(shè)置環(huán)境溫度為25 ℃,進(jìn)風(fēng)速度為3 m/s,出口表壓為0。設(shè)置完成,開始計(jì)算。25 ℃下,2C放電倍率時(shí)的UDF編譯程序如下:

#include"udf.h"

DEFINE_SOURCE(heat_source,cell,thread,dS,eqn)

{

real x,R;

real source,t;

t = RP_Get_Real("flow-time");

x = 1-1*t/1800;

R = 0.0024+0.0225*x*x*x*x*x-

0.0519*x*x*x*x+0.0326*x*x*x

+0.0029*x*x-0.0071*x;

source=10000*R/0.0003915;

dS[eqn] = 0;

return source;

}

2.3 初步熱仿真結(jié)果分析

通過對(duì)電池Pack在1C 30 min、2C 30 s、2C 30 min、3C 40s 4種放電工況下的仿真計(jì)算得到電池在各個(gè)工況下的溫度變化情況,如表2所示。

表2 初始散熱系統(tǒng)在FSEC 4種放電工況下的熱仿真結(jié)果 ℃

由結(jié)果知,電池包在1C 30min和2C 30 min 2種長(zhǎng)時(shí)間工況下,溫升和溫差變化較為明顯,故對(duì)以上2種工況下的溫度場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析。

2.3.1“1C 30 min”放電工況

從圖2可知,當(dāng)電池Pack以1C放電30 min后,整個(gè)電池包最高溫度達(dá)31.36 ℃,最大溫差為2.98 ℃,通過圖3(a)可知,在風(fēng)扇的作用下,電池包各處的溫度均有不同程度的下降。在電池箱進(jìn)風(fēng)口處和進(jìn)風(fēng)口所正對(duì)著的縱向位置處的溫度明顯比電池包左后方和右后方處的溫度低,且在電池包左后方,熱量有明顯的聚集。

2.3.2“2C 30 min”放電工況

當(dāng)以2C放電30 min后,箱體最高溫度達(dá)到了49.55 ℃,箱體內(nèi)最大溫差為11.1 ℃,且單體電池的最大溫差也將近6 ℃,均超過了所設(shè)定的熱管理目標(biāo)值,故初始散熱系統(tǒng)在該工況下不達(dá)標(biāo)。

綜上分析,初步設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)在FSEC賽事工況下能起到一定的散熱作用,但不能完全達(dá)標(biāo),尤其是在長(zhǎng)時(shí)間極限放電工況下,熱量積累很明顯,無論是最高溫度還是溫度均一性,都存在顯著的問題,同時(shí)進(jìn)出風(fēng)口位置、風(fēng)速大小、電池間隙等因素均會(huì)對(duì)電池箱散熱效果產(chǎn)生一定的影響。

圖3 電池Pack在“2C 30min”工況下仿真結(jié)果

3 電池Pack散熱優(yōu)化方案探究

通過上述分析影響散熱效果的因素較多,故采用正交試驗(yàn)法對(duì)電池包散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)[17]。

3.1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合初步仿真的結(jié)果,挑選進(jìn)風(fēng)速度(A)、進(jìn)風(fēng)口個(gè)數(shù)(B)、出風(fēng)口格柵數(shù)(C)、進(jìn)風(fēng)口直徑(D)、出風(fēng)口格柵高度(E)、單體電池間隙(F)、模組間隙(G)7個(gè)變量作為考量因素,每個(gè)因素選取3個(gè)水平。查閱正交表規(guī)格,選定L18(37)型標(biāo)準(zhǔn)正交表并將最高溫度、最低溫度及最大溫差作為評(píng)價(jià)指標(biāo),如表3所示。

根據(jù)表3給出的每個(gè)因素的具體水平參數(shù)值,按照L18(37)型標(biāo)準(zhǔn)正交表,對(duì)本次正交試驗(yàn)的具體方案進(jìn)行設(shè)計(jì),如表4所示。

表3 電池Pack散熱仿真方案因素-水平表

表4 電池Pack散熱仿真試驗(yàn)方案

3.2 正交試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了能夠直觀地查看電池系統(tǒng)的溫度分布,所有實(shí)驗(yàn)均基于“3C 40s”放電工況進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.2.1“最高溫度”指標(biāo)下的結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算18組試驗(yàn)在“最高溫度”這一指標(biāo)下的仿真結(jié)果,如圖4所示。對(duì)仿真結(jié)果做趨勢(shì)分析,研究7個(gè)因素中三水平的變化對(duì)散熱系統(tǒng)的影響,找到各個(gè)因素在同一水平下的極值,如圖5所示。根據(jù)仿真結(jié)果和極差結(jié)果,可知在“最高溫度”這一指標(biāo)下,7個(gè)因素對(duì)散熱系統(tǒng)影響的主次順序?yàn)?B>D>A>F>C>G>E。

圖4 最高溫度仿真結(jié)果

圖5 最高溫度效應(yīng)曲線

觀察圖5可知,因素B(進(jìn)風(fēng)口個(gè)數(shù))波動(dòng)范圍較大,其次是因素D(進(jìn)風(fēng)口直徑)。對(duì)于散熱而言,最高溫度越小越好,可知最優(yōu)方案應(yīng)該是:B3D3A3F1C1G1E2。

3.2.2最低溫度指標(biāo)

最低溫度指標(biāo)下的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 最低溫度仿真結(jié)果

對(duì)仿真結(jié)果做趨勢(shì)分析,如圖7所示。根據(jù)仿真結(jié)果和極差結(jié)果,可知道在“最低溫度”這一指標(biāo)下,7個(gè)因素的主次順序?yàn)?A>C>B>E>G>F>D。

圖7 最低溫度效應(yīng)曲線

對(duì)于散熱而言,最低溫度在合理范圍內(nèi)越小越好,由圖7可知最優(yōu)方案應(yīng)該是A3C1B3E3G2F3D3。

3.2.3最大溫差指標(biāo)

最大溫差指標(biāo)下的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 最大溫差仿真結(jié)果

對(duì)仿真結(jié)果做趨勢(shì)分析,得到的最大溫差效應(yīng)曲線如圖9所示。根據(jù)仿真結(jié)果和極差結(jié)果,可知道在“最大溫差”這一指標(biāo)下,7個(gè)因素的主次順序?yàn)?E>C>G>F>A>D>B。

圖9 最大溫差效應(yīng)曲線

對(duì)于散熱而言,最大溫差數(shù)值越小,溫度分布越均一,散熱效果越好。由圖9可知,最優(yōu)方案應(yīng)該是E2C3G1F2A1D2B3。

綜上在最高溫度、最低溫度和最大溫差3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)下的最優(yōu)散熱方案分別為B3D3A3F1C1G1E2、A3C1B3E3G2F3D3、E2C3G1F2A1D2B3。

3.3 電池Pack最優(yōu)散熱方案的確定

為了在上述3種方案中遴選出最優(yōu)散熱方案,需要繼續(xù)從電池組最高溫度、最低溫度和最大溫差3個(gè)方面出發(fā),對(duì)3種方案的散熱指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析,如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)后的3種優(yōu)化方案結(jié)果 ℃

根據(jù)上述熱仿真數(shù)據(jù)結(jié)果可知,3種方案的最高溫度和最低溫度在數(shù)值上區(qū)別并不明顯,而在最大溫差方面方案2和方案3明顯要優(yōu)于方案1,故淘汰方案1。因方案2和方案3的三大指標(biāo)在數(shù)值差異并不明顯,故需要從溫度分布的均一性和電池箱體熱量聚集情況兩方面出發(fā)對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行遴選。方案2和方案3的電池及電池箱的溫度分布情況如圖10、11所示。

圖10 電池溫度分布

由圖10可知,方案2和方案3下的電池包高溫和低溫分布位置大致相仿,但是方案2的溫度分布更均勻一些,而且通過圖11可知方案3的電池箱整體溫度要較方案2要高,且方案3下的電池箱體有明顯的熱量堆積情況,故方案2的散熱情況更理想一些。綜上,從散熱評(píng)價(jià)指標(biāo)、溫度均布情況、熱量聚集情況三方面綜合考慮,確定最優(yōu)散熱方案為A3C1B3E3G2F3D3。

4 電池Pack散熱系統(tǒng)優(yōu)化效果分析

4.1 優(yōu)化后的散熱方案可行性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化后散熱系統(tǒng)的散熱能力和優(yōu)化效果,本節(jié)按照優(yōu)化后的散熱方案對(duì)電池Pack在FSEC賽事4種工下的溫度變化情況進(jìn)行仿真計(jì)算和實(shí)車試驗(yàn)。

4.1.1仿真計(jì)算

根據(jù)優(yōu)化后的散熱方案對(duì)電池散熱系統(tǒng)重新建模,并對(duì)電池Pack在4種工況下的溫升情況進(jìn)行仿真計(jì)算及整理統(tǒng)計(jì),如表6所示。

表6 優(yōu)化后散熱系統(tǒng)在FSEC 4種放電工況下的仿真結(jié)果 ℃

由表6可知優(yōu)化后的散熱系統(tǒng)在上述4種放工況下,溫升和溫差變化均在理想變化范圍內(nèi),均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。當(dāng)電池在長(zhǎng)時(shí)間極限工況(2C 30 min)下放電時(shí),最高溫度為33.37 ℃,相對(duì)初始散熱系統(tǒng)在同樣工況下的49.55 ℃,優(yōu)化了32.65%,優(yōu)化效果明顯。

4.1.2實(shí)車試驗(yàn)

根據(jù)最優(yōu)散熱方案,對(duì)電池散熱系統(tǒng)的各零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)加工及裝配,如圖12所示,并根據(jù)圖12對(duì)溫度傳感器進(jìn)行布置,圖13傳感器P1-P7位置是根據(jù)仿真條件下最高溫和最低溫出現(xiàn)的位置進(jìn)行確定的,為的是更為準(zhǔn)確地測(cè)量電池包的最高和最低溫度。

圖12 電池箱及電動(dòng)賽車實(shí)物

圖13 溫度傳感器布置位置

將制作完成的電池箱安裝在電動(dòng)方程式賽車上,根據(jù)FSEC大賽規(guī)則和實(shí)際競(jìng)賽工況,對(duì)測(cè)試路徑及跑動(dòng)工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。在風(fēng)速小于3 m/s,溫度為25 ℃的環(huán)境下,由2名賽車手分別完成加速工況1(直線加速30 s)和耐久工況2(耐久行駛30 min)2個(gè)跑動(dòng)項(xiàng)目。

兩車手測(cè)試前,賽車電量保證足夠且相等,每個(gè)項(xiàng)目跑動(dòng)間隔要大于30 min。將兩車手跑動(dòng)測(cè)試的結(jié)果取平均值并與仿真結(jié)果對(duì)比分析,如圖14 和圖15所示。

由圖14和15可知,在直線加速30 s實(shí)車測(cè)試后電池包的最高溫度27.06 ℃,最大溫差0.477 ℃,在耐久行駛30 min后電池包的最高溫度30.2 ℃,最大溫差2.1 ℃,以上數(shù)據(jù)均在設(shè)定的目標(biāo)溫度范圍之內(nèi),故優(yōu)化后的散熱系統(tǒng)在實(shí)際競(jìng)賽過程中能夠滿足散熱要求。同時(shí)在直線加速30 s工況下試驗(yàn)和仿真的最大溫差不超過2 ℃,誤差保持在7.39%之內(nèi);在耐久行駛30 min工況下試驗(yàn)和仿真的最大溫差不超過2.82 ℃,誤差保持在9.34%之內(nèi)。

綜上2種工況下試驗(yàn)和仿真誤差均在允許范圍內(nèi),且各工況下試驗(yàn)和仿真條件下的溫度變化趨勢(shì)基本一致,故優(yōu)化后的散熱系統(tǒng)在實(shí)際賽事工況下應(yīng)用是可行的,且本研究的仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖14 加速工況一(2C 30 s)仿真和試驗(yàn)溫度值

圖15 耐久工況二(1C 30 min)仿真和試驗(yàn)溫度值

4.2 電池Pack散熱系統(tǒng)優(yōu)化效果

4.2.1電池整體溫升和溫差方面

基于正常放電狀態(tài)下的2種工況(1C 30 min和2C 30 s)對(duì)優(yōu)化前后的電池溫度場(chǎng)云圖進(jìn)行對(duì)比分析,如圖16和圖17所示。

圖17 2C 30 s 工況下優(yōu)化前后電池溫度變化云圖

當(dāng)電池包在1C 30 min工況下,由圖16可明顯看出優(yōu)化前的電池包溫度在前后2部分溫差較大,且電池包整體溫度較高,最高溫度為31.36 ℃,較環(huán)境溫度升高了6.36 ℃;而優(yōu)化后的電池包整體溫度較低,最高溫度僅為26.63 ℃,較環(huán)境溫度升高了1.63 ℃,整體溫控效果較好。經(jīng)計(jì)算電池散熱系統(tǒng)在優(yōu)化前后在最高溫度和最大溫差方面分別優(yōu)化了15.08%和86.58%,有較為明顯的優(yōu)化效果。

當(dāng)電池組在2C倍率下放電30 s后,由圖17可以看出優(yōu)化前和優(yōu)化后的電池包的整體溫度均不高,溫升和溫差的變化均不超過1 ℃,但是對(duì)比發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后電池包的溫度分布更加均勻,并沒有出現(xiàn)大面積的熱量聚集。經(jīng)計(jì)算,優(yōu)化后的散熱系統(tǒng)在最高溫度和最大溫差方面分別優(yōu)化了1.38%和66.67%,故在該工況下電池包溫度分布的均一性得到了較好的改善。

4.2.2散熱系統(tǒng)內(nèi)空氣跡線分布方面

基于“1C 30 min”工況,對(duì)優(yōu)化前后散熱系統(tǒng)內(nèi)的空氣跡線圖進(jìn)行對(duì)比分析,如圖18所示。

優(yōu)化前電池箱進(jìn)風(fēng)口單一且空氣流量較小,冷卻空氣主要流經(jīng)電池箱中間位置,在電池箱兩側(cè)和單體電池縫隙之間流過的冷卻空氣很少,電池溫度整體較高,散熱效果不佳,且在電池箱后部左右2個(gè)位置有明顯的熱量堆積,電池溫度均一性較差;優(yōu)化后的散熱系統(tǒng)增加了進(jìn)風(fēng)口數(shù)量,同時(shí)對(duì)進(jìn)風(fēng)口的位置進(jìn)行了均布調(diào)整,在布置上更有利于冷卻空氣均勻流向整個(gè)電池包組,同時(shí)對(duì)電池單體和模組間的間隙進(jìn)行了合理調(diào)整,從跡線圖可看出在整個(gè)放電過程中電池箱內(nèi)的冷卻空氣分布比較均勻,即使在持續(xù)放電30 min后也并未出現(xiàn)大面積的熱量聚集,且溫度僅升高了1.63 ℃,綜上,優(yōu)化后的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在結(jié)構(gòu)上布置更為合理,冷卻空氣在電池箱的分布更加均勻,該結(jié)構(gòu)下的散熱系統(tǒng)有較好的溫控散熱能力。

5 結(jié)論

針對(duì)所研究的動(dòng)力鋰離子電池的散熱系統(tǒng)主要做了4方面的工作。一是基于FSEC賽車電池包組的相關(guān)參數(shù),對(duì)電池Pack的散熱系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì);二是通過CFD仿真的方法對(duì)初始散熱系統(tǒng)的散熱能力及影響因素進(jìn)行分析研究;三是利用正交試驗(yàn)法,以最高溫度和溫差最小化作為優(yōu)化目標(biāo),同時(shí)結(jié)合電池溫度分布的均一性和電池箱的熱量聚集情況等對(duì)最優(yōu)散熱方案進(jìn)行遴選,相對(duì)全面試驗(yàn)法,減少了試驗(yàn)次數(shù),提高了優(yōu)化效率;四是通過實(shí)車跑動(dòng)試驗(yàn)和CFD仿真相結(jié)合的方式,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方案在FSEC賽事中應(yīng)用的可行性且有較好的優(yōu)化效果,溫差最大優(yōu)化率可達(dá)86.58%,證實(shí)了本研究的仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠。

在正交試驗(yàn)遴選最優(yōu)方案以及對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行對(duì)比分析過程中,在考慮最高溫度、最低溫度和最大溫差三大目標(biāo)因素的同時(shí),充分考慮了電池包溫度的均布性和電池箱體熱量的聚集情況,不僅使最優(yōu)方案的遴選過程更加高效,而且在散熱效果分析方面更加有據(jù)可依。故在處理動(dòng)態(tài)仿真優(yōu)化問題方面,在選取結(jié)果性優(yōu)化目標(biāo)的同時(shí),增加一些對(duì)試驗(yàn)過程有影響因素作為輔助參照,可能會(huì)使優(yōu)化效果更為理想。

本研究在探究過程中以散熱效果最優(yōu)為最終目標(biāo),并未考慮能耗問題。故日后在本研究的基礎(chǔ)上可以從散熱和能耗相均衡的角度出發(fā),對(duì)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行更深一步的研究。