路昭, 余小玲, 張立玉, 韋立川,3, 高松,4, 邱亞林, 金立文, 孟祥兆

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 710049, 西安; 2.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院, 710049, 西安;3.深圳市英維克科技股份有限公司, 518000, 廣東深圳; 4.中國(guó)工程物理研究院材料研究所, 621907, 四川江油;5.云南電力試驗(yàn)研究院, 650051, 昆明)

鋰離子電池因能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)受到了行業(yè)的青睞,是目前純電動(dòng)汽車首選的動(dòng)力蓄電池[1-2]。作為純電動(dòng)汽車唯一的動(dòng)力源,動(dòng)力鋰離子電池的工作性能直接影響電動(dòng)汽車的安全、高效運(yùn)行。影響電池性能的因素主要包括電池材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行溫度等。對(duì)于商業(yè)用鋰離子電池而言,目前常關(guān)注的是鋰離子電池的運(yùn)行溫度對(duì)電池性能的影響。由于熵變、歐姆內(nèi)阻及極化內(nèi)阻的影響,鋰離子電池在充放電過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,特別是對(duì)于密集布置的動(dòng)力電池組而言,電池包內(nèi)部單體電池產(chǎn)生的熱量互相影響、迅速聚集,會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池組溫度急劇升高。當(dāng)電池溫度過(guò)高時(shí),不僅會(huì)加速電池老化、縮短電池使用壽命,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控,進(jìn)而造成難以估計(jì)的安全事故[3-5]。此外,學(xué)者們還研究了動(dòng)力電池組內(nèi)部溫度均勻性對(duì)鋰電池性能的影響,結(jié)果表明不均勻的溫度分布會(huì)造成動(dòng)力電池組內(nèi)部各電池單體不一致的充放電特性,從而導(dǎo)致電池組能量利用不充分及性能衰減[6-7]。根據(jù)以上分析,為確保電動(dòng)汽車安全、高效運(yùn)行,動(dòng)力電池組需要在適宜的溫度范圍工作。目前普遍認(rèn)可的鋰離子電池最佳工作溫度范圍為25～40 ℃[8],因此電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)已經(jīng)成為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組安全、高效運(yùn)行的必要組成部分。

目前,各種形式的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)都得到了廣泛的研究和應(yīng)用,如空氣熱管理系統(tǒng)、液體熱管理系統(tǒng)及相變儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)[3,6-7,9-11]。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、自消耗能量少等優(yōu)勢(shì),傳統(tǒng)的空氣熱管理系統(tǒng)目前仍然是大多數(shù)電動(dòng)汽車廠家的首選方案。需要強(qiáng)調(diào)的是,精心設(shè)計(jì)的空氣熱管理系統(tǒng)依然能夠滿足絕大多數(shù)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的運(yùn)行溫度要求[9-11]。Mahamud等通過(guò)建立二維數(shù)學(xué)模型,研究了往復(fù)式空氣流對(duì)順排布置動(dòng)力電池組溫度特性的影響規(guī)律,結(jié)果表明往復(fù)式空氣流冷卻方案可以有效降低動(dòng)力電池組的最高溫度和最大溫差[9]。Wang等采用ANSYS Icepak 14.5商業(yè)軟件建立了三維數(shù)學(xué)模型,用來(lái)研究空氣冷卻方案和電池布置方式對(duì)動(dòng)力電池組熱特性的影響[10]。研究者普遍認(rèn)為,最佳的空氣冷卻方案應(yīng)該同時(shí)考慮冷卻效果、電池組空間利用以及經(jīng)濟(jì)性。本文作者前期對(duì)冷卻空氣縱掠密集布置動(dòng)力電池組進(jìn)行了相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)迫空氣冷卻能夠有效改善動(dòng)力電池組內(nèi)部的溫度分布,并且通過(guò)綜合考慮冷卻效果和電池組空間利用,獲得了合適的電池間距[11]。

根據(jù)以上文獻(xiàn)可知,目前對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組空氣熱管理系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究,并且針對(duì)影響動(dòng)力電池組溫度特性的因素,如送風(fēng)策略、電池組布置方式,提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。眾所周知,為確保電池正負(fù)極與導(dǎo)電片接觸良好、固定可靠,用單體電池組成動(dòng)力電池組往往需要大量的電池正負(fù)極固定件。然而,目前關(guān)于動(dòng)力電池組的研究往往忽略了電池正負(fù)極固定件的影響,其原因一是研究者們普遍認(rèn)為電池正負(fù)極固定件主要只是起滿足電絕緣及固定電池的作用;二是研究者們主要關(guān)注電池自身產(chǎn)熱及電池與冷卻介質(zhì)之間的換熱能力,而忽略了電池正負(fù)極固定件的傳熱性能?；诖?本文建立了含電池正負(fù)極固定件的動(dòng)力電池組三維數(shù)學(xué)模型,研究了送風(fēng)速度、固定件熱導(dǎo)率對(duì)動(dòng)力電池組溫度特性的影響規(guī)律,獲得了滿足電池正負(fù)極固定件絕緣性能的最優(yōu)熱導(dǎo)率,并且基于電池正負(fù)極固定件最優(yōu)熱導(dǎo)率,采用導(dǎo)熱翅片改善了動(dòng)力電池組內(nèi)部的溫度均勻性。

1 物理模型

圖1為動(dòng)力電池組錯(cuò)列布置示意圖,該動(dòng)力電池模組主要由Sanyo18650鋰離子單體電池和環(huán)氧樹(shù)脂電池正負(fù)極固定件組成。單體電池直徑D=18 mm,長(zhǎng)度L=65 mm,環(huán)氧樹(shù)脂固定件厚度δt=18 mm,電池組縱向節(jié)距比Pl/D=1,橫向節(jié)距比Pt/D=1.1,環(huán)氧樹(shù)脂固定件的中心距Fp=65 mm。

由圖1可知,單體電池在x-y平面周期性錯(cuò)列布置并聯(lián)連接,沿z方向周期性布置串聯(lián)連接。因此,本文選取2個(gè)相鄰固定件之間的電池單元進(jìn)行研究。計(jì)算區(qū)域、固定件及固定件處的翅片如圖2所示。

圖1 動(dòng)力電池組錯(cuò)列布置示意圖

(a)計(jì)算區(qū)域二維示意圖

(b)含有固定件的計(jì)算區(qū)域三維示意圖

(c)含有翅片的計(jì)算區(qū)域局部示意圖圖2 系統(tǒng)計(jì)算區(qū)域及含固定件和固定件處翅片的計(jì)算區(qū)域示意圖

為減小固定件厚度對(duì)計(jì)算區(qū)域入口空氣速度分布的影響,將計(jì)算區(qū)域入口延長(zhǎng)1.5倍,同時(shí)為確保冷卻空氣單向均勻流出計(jì)算區(qū)域,將計(jì)算區(qū)域出口延長(zhǎng)5倍,此方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于翅片管換熱器的相關(guān)研究[12-13]。因此,整個(gè)計(jì)算區(qū)域沿流動(dòng)方向的長(zhǎng)度是實(shí)際固定件區(qū)域長(zhǎng)度的7.5倍。為進(jìn)一步改善固定件的散熱情況,在相鄰2個(gè)固定件之間布置一定數(shù)量的導(dǎo)熱翅片,導(dǎo)熱翅片尺寸為0.5 mm(x)×0.5 mm(y)×47 mm(z)。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程及基本假設(shè)

盡管電池瞬態(tài)產(chǎn)熱模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池的瞬時(shí)產(chǎn)熱量,但是瞬態(tài)產(chǎn)熱模型往往需要消耗大量的計(jì)算時(shí)間。同時(shí),考慮到電池正負(fù)極固定件對(duì)動(dòng)力電池組散熱性能的影響,空氣橫掠動(dòng)力電池組內(nèi)部的換熱問(wèn)題不僅包括冷卻空氣與電池表面、固定件表面及翅片表面的強(qiáng)迫對(duì)流換熱,還包括固定件及翅片內(nèi)部的導(dǎo)熱,因此對(duì)于動(dòng)力電池組而言,這種復(fù)雜的瞬態(tài)耦合換熱問(wèn)題在求解時(shí)間上缺乏可行性。本文的目的是揭示電池正負(fù)極固定件對(duì)動(dòng)力電池組換熱與流動(dòng)性能的影響規(guī)律,因此,采用平均面熱源模擬電池發(fā)熱量以減少數(shù)值計(jì)算時(shí)間,這種簡(jiǎn)化方法目前常用于動(dòng)力電池組的熱管理研究[11,14]。

考慮到動(dòng)力電池組內(nèi)部空氣流速較小,溫度變化不大,因此假定冷卻空氣為不可壓縮流體、常物性、層流流動(dòng)。此外,由于實(shí)際應(yīng)用中常采用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的導(dǎo)熱硅膠填充于固定件與電池表面之間狹小的縫隙處以確保兩者緊密接觸,減小接觸熱阻對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)部熱環(huán)境的影響,因此本文忽略了固定件與電池表面之間的接觸熱阻。采用商業(yè)軟件ANSYS14.5研究空氣橫掠錯(cuò)列布置電池組內(nèi)部的流動(dòng)與換熱問(wèn)題,描述計(jì)算區(qū)域內(nèi)部冷卻空氣換熱與流動(dòng)問(wèn)題的控制方程主要包括:

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

能量方程

(3)

當(dāng)流體速度為零時(shí),固定件及翅片區(qū)域的能量方程可簡(jiǎn)化為

(4)

以上各式中:u為流體速度,m·s-1;ρ為密度,kg·m-3;μ為動(dòng)力黏度,Pa·s;cp為比定壓熱容,J·kg-1·K-1;λ為熱導(dǎo)率,W·m-1·K-1;j為笛卡爾坐標(biāo)。

2.2 邊界條件

冷卻空氣進(jìn)口采用速度入口邊界條件,并假設(shè)同一送風(fēng)口的所有位置送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度為相同的值;出口采用自由流出邊界條件,即所有的空氣都單向均勻流出;電池表面采用恒定熱流密度邊界條件,q=24.4 W·m-2,該值通過(guò)電池平均發(fā)熱量與電池有效傳熱面積之比求得;固定件與電池和冷卻空氣的接觸面均為耦合邊界條件。

2.3 數(shù)值方法

首先采用前處理軟件Gambit 2.4.6建立動(dòng)力電池組的物理模型,然后用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(四邊形和六面體網(wǎng)格)對(duì)空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并在電池表面、翅片表面、送回風(fēng)口附近采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格數(shù)獨(dú)立性測(cè)試驗(yàn)證,數(shù)值計(jì)算時(shí)選取的網(wǎng)格數(shù)為723 190。采用二階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散化,并選用SIMPLE算法對(duì)離散方程進(jìn)行求解。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

目前尚未見(jiàn)到研究電池正負(fù)極固定件對(duì)動(dòng)力電池組散熱性能的影響的相關(guān)報(bào)道,無(wú)法直接用前人的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證本文所建立的數(shù)學(xué)模型,所以采用文獻(xiàn)[15]中的方法,即采用冷卻空氣橫掠翅片管的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證的相關(guān)參數(shù)如下:管外徑為18 mm,管壁溫度為37.7 ℃,管束入口冷卻空氣溫度為16 ℃,入口空氣流速變化范圍為0.67～4 m·s-1。一般而言,空氣橫掠翅片管束的流動(dòng)可看成包括2種流動(dòng):一種是空氣在相鄰2個(gè)翅片間的管內(nèi)流動(dòng),此時(shí)翅片管束內(nèi)空氣的雷諾數(shù)變化范圍為333～2 000(<2 300),屬于層流流動(dòng);另一種是空氣橫掠管束的流動(dòng),此時(shí)翅片管束內(nèi)空氣的雷諾數(shù)變化范圍為1 000～6 000,也屬于層流流動(dòng)(<1.4×105)。因此,在數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證時(shí)采用層流模型進(jìn)行研究。圖3給出了努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn)本文數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[12]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近,最大偏差小于5%,由此說(shuō)明,本文所建立的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法可用于研究電池正負(fù)極固定件對(duì)動(dòng)力電池組熱特性與流動(dòng)特性的影響規(guī)律。

圖3 努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律

3.2 電池正負(fù)極固定件的影響

為了揭示電池正負(fù)極固定件對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)部溫度的影響,首先研究了無(wú)固定件時(shí)動(dòng)力電池組內(nèi)部的溫度情況,將其稱為算例1;其次研究了絕緣性能優(yōu)良、導(dǎo)熱性能較差的環(huán)氧樹(shù)脂作為傳統(tǒng)電池正負(fù)極固定件對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)部溫度的影響,將其稱為算例2;最后根據(jù)上述研究結(jié)果,研究了不同固定件的熱導(dǎo)率對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)部溫度的影響,獲得了滿足電池正負(fù)極固定件絕緣性能的最佳熱導(dǎo)率,將其稱為算例3。

電池正負(fù)極固定件對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)部最高溫度的影響如圖4所示,從中可以發(fā)現(xiàn),在所研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi),未考慮固定件的動(dòng)力電池組內(nèi)部最高溫度顯著低于傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂(λ1=0.2 W·m-1·K-1)作為固定件時(shí)的最高溫度。例如:當(dāng)Re=2 052時(shí),前2種算例的動(dòng)力電池組內(nèi)部最高溫度相差約12 K;當(dāng)1 3682 W·m-1·K-1時(shí),固定件熱導(dǎo)率對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)部最高溫度的影響顯著減小,說(shuō)明當(dāng)冷卻空氣在錯(cuò)列布置的動(dòng)力電池組內(nèi)部處于層流流動(dòng)時(shí),可使動(dòng)力電池組整體的散熱性能達(dá)到最優(yōu)的固定件熱導(dǎo)率為2 W·m-1·K-1,這主要是因?yàn)楫?dāng)固定件熱導(dǎo)率大于2 W·m-1·K-1時(shí),導(dǎo)熱熱阻在總傳熱熱阻中的比重顯著減小,即固定件熱導(dǎo)率對(duì)動(dòng)力電池組整體散熱性能的貢獻(xiàn)明顯降低。此外必須注意的是,固定件首先必須確保動(dòng)力電池組的電絕緣性能,其次才是滿足動(dòng)力電池組的散熱需求。目前,環(huán)氧樹(shù)脂基氧化鋁復(fù)合材料因兼具優(yōu)良的絕緣性能和較好的導(dǎo)熱性能而得到了普遍關(guān)注,常用于絕緣、散熱性能要求較高的電子產(chǎn)品冷卻中。經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研得知,當(dāng)熱導(dǎo)率為2 W·m-1·K-1時(shí),環(huán)氧樹(shù)脂基氧化鋁復(fù)合材料具有優(yōu)良的絕緣性能[16],由此說(shuō)明本文在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)所得到的動(dòng)力電池組正負(fù)極固定件的最優(yōu)熱導(dǎo)率(2 W·m-1·K-1)具有實(shí)際工程意義。

圖4 固定件熱導(dǎo)率對(duì)動(dòng)力電池組最高溫度的影響

圖5為動(dòng)力電池組在最優(yōu)熱導(dǎo)率、不同雷諾數(shù)下的溫度云圖。從計(jì)算單元的三維溫度云圖可知,動(dòng)力電池組的高溫區(qū)域均出現(xiàn)在沿冷卻空氣流動(dòng)方向下游側(cè)的固定件處,固定件之間的區(qū)域溫度明顯較低。此外,從計(jì)算單元中心截面z=32.5 mm處的溫度云圖可知,與冷卻空氣直接接觸的電池表面的最高溫度明顯低于動(dòng)力電池組的最高溫度。例如,當(dāng)Re=2 052時(shí),動(dòng)力電池組的最高溫度約為314.7 K,而與冷卻空氣直接接觸的電池表面的最高溫度約為308.5 K,兩者相差6.2 K。上述結(jié)果主要由以下3個(gè)原因所導(dǎo)致:一是雖然采用了具有最佳熱導(dǎo)率的固定件,但是由于其自身導(dǎo)熱熱阻的影響,依然增大了固定件處電池表面與冷卻空氣的傳熱熱阻;二是固定件之間的電池表面與冷卻空氣間僅存在對(duì)流傳熱熱阻;三是冷卻空氣沿流動(dòng)方向不斷帶走動(dòng)力電池組產(chǎn)生的熱量,因此空氣流溫度逐漸升高,導(dǎo)致下游側(cè)空氣換熱能力下降。

由圖5e可以看出,當(dāng)Re=2 052時(shí),采用最優(yōu)熱導(dǎo)率的動(dòng)力電池組內(nèi)部最高溫度為314.7 K,最大溫差ΔTmax=14.9 K,均超過(guò)了動(dòng)力鋰離子電池組的最高溫度限制(313.15 K)和最大溫差限制(10 K)。因此,為了確保動(dòng)力鋰離子電池組在適宜的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行,需要進(jìn)一步強(qiáng)化動(dòng)力電池組的空氣冷卻能力。

3.3 電池正負(fù)極固定件處翅片的影響

(a)Re=684

(b)Re=1 026

(c)Re=1 368

(d)Re=1 710

(e)Re=2 052圖5 不同雷諾數(shù)下動(dòng)力電池組計(jì)算單元的溫度云圖(λ1=2 W·m-1·K-1)

由3.2節(jié)可知,采用最優(yōu)熱導(dǎo)率的動(dòng)力電池組具有優(yōu)良的散熱性能,然而在所研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi),動(dòng)力電池組內(nèi)部的熱環(huán)境依然不能滿足鋰離子電池的溫度要求。根據(jù)牛頓冷卻公式可知,當(dāng)電池產(chǎn)熱量、冷卻空氣送風(fēng)溫度一定時(shí),減小冷卻空氣與電池表面之間的傳熱熱阻可以有效減小電池表面與冷卻空氣之間的傳熱溫差,即可以降低動(dòng)力電池組的整體溫度。為此,在相連的2個(gè)固定件之間布置成組的導(dǎo)熱翅片,以減小冷卻空氣與固定件之間的傳熱熱阻。同時(shí),為了研究導(dǎo)熱翅片數(shù)量、位置、熱導(dǎo)率對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)部溫度的影響,采用2種方案在固定件之間布置導(dǎo)熱翅片:方案一是沿冷卻空氣流動(dòng)方向在相鄰2個(gè)電池單元之間均勻布置3個(gè)導(dǎo)熱翅片,由于本文研究的動(dòng)力電池組計(jì)算單元沿流動(dòng)方向由4排電池單元組成,因此方案一沿冷卻空氣流動(dòng)方向均勻布置9個(gè)導(dǎo)熱翅片,如圖2c所示;方案二是沿冷卻空氣流動(dòng)方向在最后2排電池之間布置3個(gè)導(dǎo)熱翅片。

圖6給出了冷卻空氣雷諾數(shù)為2 052、固定件為最優(yōu)熱導(dǎo)率(2 W·m-1·K-1)時(shí),動(dòng)力電池組內(nèi)部最高溫度隨導(dǎo)熱翅片熱導(dǎo)率的變化規(guī)律。

圖6 導(dǎo)熱翅片熱導(dǎo)率對(duì)最高溫度的影響

圖6中最上面的直線為固定件之間沒(méi)有布置導(dǎo)熱翅片時(shí)動(dòng)力電池組的最高溫度,將其稱為無(wú)翅片算例;最下面的直線為無(wú)固定件時(shí)動(dòng)力電池組的最高溫度,將其稱為無(wú)固定件算例。在這2個(gè)算例中,動(dòng)力電池組內(nèi)部最高溫度與導(dǎo)熱翅片熱導(dǎo)率無(wú)關(guān),以下將其與增加導(dǎo)熱翅片后的算例進(jìn)行對(duì)比。由圖6可知,當(dāng)導(dǎo)熱翅片與固定件的熱導(dǎo)率均為2 W·m-1·K-1時(shí),無(wú)論采用方案一或者方案二,動(dòng)力電池組內(nèi)部的最高溫度均明顯低于無(wú)翅片算例動(dòng)力電池組內(nèi)部的最高溫度,相差約2 K。此外,隨著導(dǎo)熱翅片熱導(dǎo)率逐漸增加,方案一的冷卻效果稍優(yōu)于方案二的冷卻效果,2種方案的動(dòng)力電池組內(nèi)部最高溫度相差約0.7 K。值得注意的是,2種方案的動(dòng)力電池組內(nèi)部最高溫度的下降幅度均逐漸減小。例如對(duì)于方案一而言,當(dāng)導(dǎo)熱翅片的熱導(dǎo)率從2 W·m-1·K-1增加到4 W·m-1·K-1時(shí),動(dòng)力電池組內(nèi)部的最高溫度下降約1.5 K,而當(dāng)導(dǎo)熱翅片的熱導(dǎo)率從4 W·m-1·K-1增加到20 W·m-1·K-1時(shí),動(dòng)力電池組內(nèi)部的最高溫度下降約1 K,主要原因是隨著導(dǎo)熱翅片熱導(dǎo)率的逐漸增大,導(dǎo)熱熱阻在總傳熱熱阻中的比重逐漸減小,而對(duì)流傳熱熱阻的比重逐漸增加,因此導(dǎo)熱翅片的熱導(dǎo)率對(duì)動(dòng)力電池組整體散熱性能的貢獻(xiàn)逐漸減小。

冷卻空氣流過(guò)動(dòng)力電池組需要消耗的風(fēng)機(jī)能量由下式計(jì)算

P=pdQV

(5)

式中:pd為冷卻空氣的進(jìn)出口壓降,Pa;QV為冷卻空氣的體積流量,m3·s-1。

圖7為不同雷諾數(shù)下電池正負(fù)極固定件、導(dǎo)熱翅片數(shù)量對(duì)冷卻空氣流過(guò)動(dòng)力電池組需要消耗的風(fēng)機(jī)能量的影響,從中可以看出,隨著雷諾數(shù)逐漸增大,考慮固定件及導(dǎo)熱翅片的風(fēng)機(jī)能耗明顯高于無(wú)固定件算例的風(fēng)機(jī)能耗。例如,當(dāng)Re=2 052時(shí),方案一的風(fēng)機(jī)能耗是無(wú)固定件算例風(fēng)機(jī)能耗的1.8倍。此外,方案一和方案二的風(fēng)機(jī)能耗與無(wú)翅片算例的風(fēng)機(jī)能耗差異不大。特別是在所研究的整個(gè)雷諾數(shù)范圍內(nèi),方案二的風(fēng)機(jī)能耗與無(wú)翅片算例的風(fēng)機(jī)能耗基本相同。

圖7 不同雷諾數(shù)下固定件、翅片數(shù)量對(duì)風(fēng)機(jī)能耗的影響

綜上所述,固定件之間布置導(dǎo)熱翅片可以顯著提高動(dòng)力電池組的整體散熱性能,確保動(dòng)力電池組內(nèi)部最高溫度低于鋰離子電池的最高溫度限制(313.15 K)。此外,動(dòng)力電池組能否高效運(yùn)行也與動(dòng)力電池組內(nèi)部溫度的均勻性密切相關(guān)。因此,為了進(jìn)一步獲得導(dǎo)熱翅片對(duì)動(dòng)力電池內(nèi)部溫度均勻性的影響,計(jì)算出了冷卻空氣雷諾數(shù)為2 052、導(dǎo)熱翅片熱導(dǎo)率為20 W·m-1·K-1時(shí)動(dòng)力電池組的溫度云圖,如圖8所示。

(a)無(wú)翅片算例

(b)方案一

(c)方案二圖8 動(dòng)力電池組的溫度云圖(Re=2 052,固定件熱導(dǎo)率λ1=2 W·m-1·K-1,翅片熱導(dǎo)率λ2=20 W·m-1·K-1)

由圖8可以看出:相對(duì)無(wú)翅片算例而言,方案一和方案二的動(dòng)力電池組內(nèi)部溫度分布均勻,固定件處并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的高溫區(qū)域。此外,方案一和方案二的動(dòng)力電池組內(nèi)部最大溫差分別為9.6 K和10.5 K,明顯低于無(wú)翅片算例的動(dòng)力電池組內(nèi)部最大溫差14.9 K。上述結(jié)果表明,固定件處增加導(dǎo)熱翅片能有效強(qiáng)化動(dòng)力電池組內(nèi)部的空氣換熱能力,使得高溫區(qū)域的溫度顯著降低,從而減小了動(dòng)力電池組內(nèi)部各單體電池之間的溫度差,有利于各單體電池實(shí)現(xiàn)一致的充放電特性,確保動(dòng)力電池組安全、高效運(yùn)行。

4 結(jié) 論

本文建立了動(dòng)力電池組三維數(shù)學(xué)模型,研究了送風(fēng)速度、電池正負(fù)極固定件熱導(dǎo)率、導(dǎo)熱翅片布置及導(dǎo)熱翅片熱導(dǎo)率對(duì)動(dòng)力電池組溫度特性和流動(dòng)特性的影響規(guī)律,得到以下結(jié)論:

(1)相比未考慮固定件而言,傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂固定件(熱導(dǎo)率為0.2 W·m-1·K-1)顯著提高了動(dòng)力電池組內(nèi)部的最高溫度,增幅約為12 K,并且隨著雷諾數(shù)增大,兩者的壓降差異逐漸變大,表明未考慮電池正負(fù)極固定件的數(shù)學(xué)模型明顯低估了動(dòng)力電池組內(nèi)部的最高溫度和流動(dòng)壓降;

(2)當(dāng)冷卻空氣在錯(cuò)列布置的動(dòng)力電池組內(nèi)部處于層流流動(dòng)時(shí),使動(dòng)力電池組的整體散熱性能達(dá)到最優(yōu)的固定件熱導(dǎo)率為2 W·m-1·K-1;

(3)導(dǎo)熱翅片能有效改善動(dòng)力電池組內(nèi)部的溫度分布,且能使動(dòng)力電池組內(nèi)部空氣流動(dòng)壓降的增幅小于10%。