動力鋰離子電池風冷散熱CFD仿真

王 盛,任潤國,尉慶國,袁文奇

(1.中北大學 能源與動力工程學院, 太原 030051;2.山西新能源汽車工業有限公司, 山西 晉中 030600;3.內蒙古第一機械集團有限公司, 內蒙古 包頭 014032)

0 引言

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

近年來國內外技術人員對風冷散熱系統做了大量研究。Saw等[4]和Qin等[5-6]用CFD方法對電池風冷散熱系統的散熱能力進行了仿真研究,通過實驗驗證了CFD仿真方法的可行性;Yang等[7-8]和張繼華等[9]通過數值仿真的方法發現了電池箱內部空氣流道、進出口位置、流體參數等因素會對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風速度、電池間隙等因素對散熱系統的影響,并根據影響次序對于原方案進行了優化,優化后的方案有較好的散熱效果,但整個探究過程工作量巨大,仿真實驗達40余次;同樣是風冷散熱優化問題,李淼林等[11]采用正交試驗法,通過較少次數的迭代計算,遴選出了較為理想的散熱方案。綜上,CFD數值仿真和正交實驗法在風冷散熱優化研究方面應用較為廣泛,且可使研究工作效率更高。

為了解決電動賽車在FSEC競賽中散熱不良的問題[12],本文基于賽事工況,采用CFD數值仿真和正交試驗相結合的方法,以最高溫度和溫差最小化作為優化目標,對原散熱方案進行優化。同時為了減少非必要的迭代步驟,提高優化效率,本研究在考慮三大優化指標的同時將充分結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,對散熱方案進行對比遴選和優化分析。最后將通過仿真計算和實車跑動試驗相結合的方法,對新散熱方案的可行性和仿真結果的可靠性進行驗證。

1 電池Pack散熱系統初步設計

1.1 電池Pack結構與組成

本文研究的是適配于FSEC電動方程式賽車的動力電池Pack,電池包共由35個單體電池分5個模組,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的L148N50B型方殼鎳鈷錳酸鋰電池,長為148 mm,寬為26.8 mm,高為98 mm,額定容量為50 A,標稱電壓為3.65 V,最大電壓為4.3 V,如圖1所示。每個模組由7個單體電池串聯組成,額定電壓為25.55 V。整個電池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散熱系統的結構及簡化模型

1.2 放電工況分析及熱管理目標設定

為了近似模擬競賽實際放電工況,同時考慮到賽事競爭激烈,賽況多變等因素,本文在FSEC常規模擬工況[13](1C 30 min和2C 30 s)的基礎上增設了極限放電狀態工況,如表1所示。

表1 模擬FSEC賽事放電工況

同時根據所選電池的具體規格和FSEC大賽規則[12]確定了電池Pack熱管理計目標,最高溫度≤40 ℃,最大溫差≤5 ℃。

1.3 電池Pack散熱量計算

鎳鈷錳酸鋰電池屬于聚合物鋰離子電池,在其內部會有微觀粒子間的熱傳導,在其表面會和空氣進行熱對流。對流熱換遵循牛頓冷卻定律[3],電芯內部熱傳導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所需的總散熱量,可由式(1)進行確定:

Q總=q總V總

(1)

式中:Q總代表動力電池總產熱量,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生熱問題,故選用Bernardi[15]模型對電池的生熱速率模型進行建立,同時考慮到可逆熱部分在電池總產熱值中占比很小,故所研究電池的生熱速率公式簡化如下:

(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表示電池等效內阻,Ω。

在對電池Pack散熱系統設計之前,通過HPPC實驗對所研究單體電池的等效內阻進行了探究,經實驗得到電池等效內阻和SOC在25℃下的函數關系式如下:

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,時間與SOC的關系,如式(4)所示。

(4)

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

聯立式(1)—式(4),得到生熱速率與放電時間的函數關系式,然后依據此函數關系求得電池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 散熱風扇風量的計算

根據不同工況下電池組的產熱總量,對風扇的散熱量進行計算,由式(5)確定。

(5)

式中:CFM為風扇流量,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為電池箱進出口溫差,20 K;出風口溫度取為 318 K,進風口溫度取為298 K。

經計算2C放電30 s所需風量為1.2 m3/min;1C放電30 min所需風量為4.83 m3/min。對于直徑50 mm的進風口,進風速度等效為3 m/s。

1.5 電池Pack散熱系統初步設計

結合上述物理參數同時考慮到方程式賽車空間的緊湊性,故將5個模組采用3行2列的形式進行排布,同時設置單體電池間隙1 mm;電池模組縱向間隙2 mm,橫向間隙10 mm。除了對模組排布外,還對熱管理系統其他電氣元器件進行了布置,如圖1所示。最終箱體尺寸為544 mm×419 mm×164 mm,進風口和散熱風扇均設置了1個,箱體背面的出氣口設計為6個。

2 電池Pack散熱系統初步熱仿真

為了分析初始設計的熱管理系統的散熱能力和存在的問題,對電池Pack在各個工況下的溫度變化情況進行仿真研究。

2.1 模型建立與網格劃分

對初始設計的散熱系統的結構進行必要簡化,如圖2所示。將簡化后的模型在Design Modeler中劃分為電池固體區域和箱體空氣區域2個 部分,并設置1個進氣口和6個出氣口。

將處理好的模型更新至Mesh中,對模型進出口流體復雜處采用局部加密,同時在壁面處設置1 mm厚膨脹層。加密后劃分的網格總數為 2 857 496,節點數量為778 298個,網格平均正交質量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”工況下仿真結果

2.2 邊界條件的設置及求解

根據所研究電池的熱物性規格參數,在Fluent中設置電池的等效密度ρ為2 218 kg/m3;比熱容cp為1 060 J/(kg·K);等效導熱系數λx、λy、λz分別為23.4、5.3、17.4 W/(m·K)。根據式 (1)—式(4)對各個工況下的UDF文件進行編譯。將各個工況下的UDF文件加載到電池cell熱源中,設置環境溫度為25 ℃,進風速度為3 m/s,出口表壓為0。設置完成,開始計算。25 ℃下,2C放電倍率時的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 初步熱仿真結果分析

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

表2 初始散熱系統在FSEC 4種放電工況下的熱仿真結果 ℃

由結果知,電池包在1C 30min和2C 30 min 2種長時間工況下,溫升和溫差變化較為明顯,故對以上2種工況下的溫度場進行詳細的對比分析。

2.3.1“1C 30 min”放電工況

從圖2可知,當電池Pack以1C放電30 min后,整個電池包最高溫度達31.36 ℃,最大溫差為2.98 ℃,通過圖3(a)可知,在風扇的作用下,電池包各處的溫度均有不同程度的下降。在電池箱進風口處和進風口所正對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

當以2C放電30 min后,箱體最高溫度達到了49.55 ℃,箱體內最大溫差為11.1 ℃,且單體電池的最大溫差也將近6 ℃,均超過了所設定的熱管理目標值,故初始散熱系統在該工況下不達標。

綜上分析,初步設計的散熱系統在FSEC賽事工況下能起到一定的散熱作用,但不能完全達標,尤其是在長時間極限放電工況下,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,同時進出風口位置、風速大小、電池間隙等因素均會對電池箱散熱效果產生一定的影響。

圖3 電池Pack在“2C 30min”工況下仿真結果

3 電池Pack散熱優化方案探究

通過上述分析影響散熱效果的因素較多,故采用正交試驗法對電池包散熱系統進行優化改進[17]。

3.1 正交試驗方案設計

結合初步仿真的結果,挑選進風速度(A)、進風口個數(B)、出風口格柵數(C)、進風口直徑(D)、出風口格柵高度(E)、單體電池間隙(F)、模組間隙(G)7個變量作為考量因素,每個因素選取3個水平。查閱正交表規格,選定L18(37)型標準正交表并將最高溫度、最低溫度及最大溫差作為評價指標,如表3所示。

根據表3給出的每個因素的具體水平參數值,按照L18(37)型標準正交表,對本次正交試驗的具體方案進行設計,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散熱仿真試驗方案

3.2 正交試驗與結果分析

為了能夠直觀地查看電池系統的溫度分布,所有實驗均基于“3C 40s”放電工況進行仿真計算。

3.2.1“最高溫度”指標下的結果分析

經計算18組試驗在“最高溫度”這一指標下的仿真結果,如圖4所示。對仿真結果做趨勢分析,研究7個因素中三水平的變化對散熱系統的影響,找到各個因素在同一水平下的極值,如圖5所示。根據仿真結果和極差結果,可知在“最高溫度”這一指標下,7個因素對散熱系統影響的主次順序為:B>D>A>F>C>G>E。

圖4 最高溫度仿真結果

圖5 最高溫度效應曲線

觀察圖5可知,因素B(進風口個數)波動范圍較大,其次是因素D(進風口直徑)。對于散熱而言,最高溫度越小越好,可知最優方案應該是:B3D3A3F1C1G1E2。

3.2.2最低溫度指標

最低溫度指標下的仿真結果如圖6所示。

圖6 最低溫度仿真結果

對仿真結果做趨勢分析,如圖7所示。根據仿真結果和極差結果,可知道在“最低溫度”這一指標下,7個因素的主次順序為:A>C>B>E>G>F>D。

圖7 最低溫度效應曲線

對于散熱而言,最低溫度在合理范圍內越小越好,由圖7可知最優方案應該是A3C1B3E3G2F3D3。

3.2.3最大溫差指標

最大溫差指標下的仿真結果如圖8所示。

圖8 最大溫差仿真結果

對仿真結果做趨勢分析,得到的最大溫差效應曲線如圖9所示。根據仿真結果和極差結果,可知道在“最大溫差”這一指標下,7個因素的主次順序為:E>C>G>F>A>D>B。

圖9 最大溫差效應曲線

對于散熱而言,最大溫差數值越小,溫度分布越均一,散熱效果越好。由圖9可知,最優方案應該是E2C3G1F2A1D2B3。

綜上在最高溫度、最低溫度和最大溫差3個評價指標下的最優散熱方案分別為B3D3A3F1C1G1E2、A3C1B3E3G2F3D3、E2C3G1F2A1D2B3。

3.3 電池Pack最優散熱方案的確定

為了在上述3種方案中遴選出最優散熱方案,需要繼續從電池組最高溫度、最低溫度和最大溫差3個方面出發,對3種方案的散熱指標進行對比分析,如表5所示。

表5 正交試驗后的3種優化方案結果 ℃

根據上述熱仿真數據結果可知,3種方案的最高溫度和最低溫度在數值上區別并不明顯,而在最大溫差方面方案2和方案3明顯要優于方案1,故淘汰方案1。因方案2和方案3的三大指標在數值差異并不明顯,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對最優方案進行遴選。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,從散熱評價指標、溫度均布情況、熱量聚集情況三方面綜合考慮,確定最優散熱方案為A3C1B3E3G2F3D3。

4 電池Pack散熱系統優化效果分析

4.1 優化后的散熱方案可行性驗證

為了驗證優化后散熱系統的散熱能力和優化效果,本節按照優化后的散熱方案對電池Pack在FSEC賽事4種工下的溫度變化情況進行仿真計算和實車試驗。

4.1.1仿真計算

根據優化后的散熱方案對電池散熱系統重新建模,并對電池Pack在4種工況下的溫升情況進行仿真計算及整理統計,如表6所示。

表6 優化后散熱系統在FSEC 4種放電工況下的仿真結果 ℃

由表6可知優化后的散熱系統在上述4種放工況下,溫升和溫差變化均在理想變化范圍內,均滿足設計目標要求。當電池在長時間極限工況(2C 30 min)下放電時,最高溫度為33.37 ℃,相對初始散熱系統在同樣工況下的49.55 ℃,優化了32.65%,優化效果明顯。

4.1.2實車試驗

根據最優散熱方案,對電池散熱系統的各零部件進行設計加工及裝配,如圖12所示,并根據圖12對溫度傳感器進行布置,圖13傳感器P1-P7位置是根據仿真條件下最高溫和最低溫出現的位置進行確定的,為的是更為準確地測量電池包的最高和最低溫度。

圖12 電池箱及電動賽車實物

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方程式賽車上,根據FSEC大賽規則和實際競賽工況,對測試路徑及跑動工況進行設計。在風速小于3 m/s,溫度為25 ℃的環境下,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個跑動項目。

兩車手測試前,賽車電量保證足夠且相等,每個項目跑動間隔要大于30 min。將兩車手跑動測試的結果取平均值并與仿真結果對比分析,如圖14 和圖15所示。

由圖14和15可知,在直線加速30 s實車測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 ℃,以上數據均在設定的目標溫度范圍之內,故優化后的散熱系統在實際競賽過程中能夠滿足散熱要求。同時在直線加速30 s工況下試驗和仿真的最大溫差不超過2 ℃,誤差保持在7.39%之內;在耐久行駛30 min工況下試驗和仿真的最大溫差不超過2.82 ℃,誤差保持在9.34%之內。

綜上2種工況下試驗和仿真誤差均在允許范圍內,且各工況下試驗和仿真條件下的溫度變化趨勢基本一致,故優化后的散熱系統在實際賽事工況下應用是可行的,且本研究的仿真結果較為準確。

圖14 加速工況一(2C 30 s)仿真和試驗溫度值

圖15 耐久工況二(1C 30 min)仿真和試驗溫度值

4.2 電池Pack散熱系統優化效果

4.2.1電池整體溫升和溫差方面

基于正常放電狀態下的2種工況(1C 30 min和2C 30 s)對優化前后的電池溫度場云圖進行對比分析,如圖16和圖17所示。

圖17 2C 30 s 工況下優化前后電池溫度變化云圖

當電池包在1C 30 min工況下,由圖16可明顯看出優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 ℃,較環境溫度升高了6.36 ℃;而優化后的電池包整體溫度較低,最高溫度僅為26.63 ℃,較環境溫度升高了1.63 ℃,整體溫控效果較好。經計算電池散熱系統在優化前后在最高溫度和最大溫差方面分別優化了15.08%和86.58%,有較為明顯的優化效果。

當電池組在2C倍率下放電30 s后,由圖17可以看出優化前和優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 ℃,但是對比發現,優化后電池包的溫度分布更加均勻,并沒有出現大面積的熱量聚集。經計算,優化后的散熱系統在最高溫度和最大溫差方面分別優化了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散熱系統內空氣跡線分布方面

基于“1C 30 min”工況,對優化前后散熱系統內的空氣跡線圖進行對比分析,如圖18所示。

優化前電池箱進風口單一且空氣流量較小,冷卻空氣主要流經電池箱中間位置,在電池箱兩側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個位置有明顯的熱量堆積,電池溫度均一性較差;優化后的散熱系統增加了進風口數量,同時對進風口的位置進行了均布調整,在布置上更有利于冷卻空氣均勻流向整個電池包組,同時對電池單體和模組間的間隙進行了合理調整,從跡線圖可看出在整個放電過程中電池箱內的冷卻空氣分布比較均勻,即使在持續放電30 min后也并未出現大面積的熱量聚集,且溫度僅升高了1.63 ℃,綜上,優化后的電池熱管理系統在結構上布置更為合理,冷卻空氣在電池箱的分布更加均勻,該結構下的散熱系統有較好的溫控散熱能力。

5 結論

針對所研究的動力鋰離子電池的散熱系統主要做了4方面的工作。一是基于FSEC賽車電池包組的相關參數,對電池Pack的散熱系統進行了初步設計;二是通過CFD仿真的方法對初始散熱系統的散熱能力及影響因素進行分析研究;三是利用正交試驗法,以最高溫度和溫差最小化作為優化目標,同時結合電池溫度分布的均一性和電池箱的熱量聚集情況等對最優散熱方案進行遴選,相對全面試驗法,減少了試驗次數,提高了優化效率;四是通過實車跑動試驗和CFD仿真相結合的方式,驗證了所設計方案在FSEC賽事中應用的可行性且有較好的優化效果,溫差最大優化率可達86.58%,證實了本研究的仿真結果較為準確可靠。

在正交試驗遴選最優方案以及對優化效果進行對比分析過程中,在考慮最高溫度、最低溫度和最大溫差三大目標因素的同時,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可依。故在處理動態仿真優化問題方面,在選取結果性優化目標的同時,增加一些對試驗過程有影響因素作為輔助參照,可能會使優化效果更為理想。

本研究在探究過程中以散熱效果最優為最終目標,并未考慮能耗問題。故日后在本研究的基礎上可以從散熱和能耗相均衡的角度出發,對風冷散熱系統進行更深一步的研究。