冷卻板
關注創建者：熱管理博覽會 創建時間：2023-08-18
冷卻板的視頻教程
動力電池包結構CAE分析34講：Workbench LS-DYNA模態振動沖擊疲勞實戰
課程安排包括 第1講：ANSYS汽車動力電池結構CAE分析課程概述 第2講：前處理整體綜述 第3講：保護殼體簡化 第4講：基座簡化 第5講：電池系統簡化 第6講：電氣系統簡化 第7講：冷卻扳簡化 第8講：冷卻板 導熱管簡化-1 第9講：導熱管簡化-2 第10講：導熱管簡化-3 第11講：模型干涉檢查及修復 第12講：初步網格劃分 第13講：添加印記面-復雜模型螺栓連接的設置
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新能源汽車電池包熱管理及熱仿真分析案例應用解析
6、電池包流場仿真，主要講解口琴管液冷板流場均勻性分析、液冷板支路冷冷板冷卻能力匹配、風冷流場的仿真分析以及流程VOF流動狀態模擬。通過冷板流場的流動均勻性分析，匹配支路冷板的冷卻能力，設計支路冷板的流量，通過冷板的設計有效降低電池包內部溫差。
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冷卻板的實例教程
來源 | electrive.com
德國汽車供應商馬勒發布了一款新型電池冷卻板，并認為這是一次“技術飛躍”。該公司的工程師從大自然中汲取靈感，開發了一種冷卻通道仿生結構，使冷卻劑能夠以不同的方式流動。
馬勒表示，這顯著提高了冷卻板的熱力學性能和結構機械性能，具體來說，其冷卻能力提高了 10%，且壓力損失降低了 20%。這有助于將電池保持在最佳工作溫度范圍內；在鋰電池中，即使在快速充電等極端條件下，電池溫度也不應超過 40 攝氏度。同時，所有電池的溫度分布必須盡可能均勻，這就是流通板的用武之地。
這種新設計可根據需求控制冷卻劑流量，特別是對于電池單元和冷卻劑之間的微小溫差，較慢的流速可以改善傳熱。馬勒表示，其仿生電池冷卻板的工作效率非常高，溫度范圍可以降低 50%，峰值溫度也可以顯著降低。這使得電池效率更高，并且可以更快、更安全地充電，從而延長使用壽命。
馬勒還指出了仿生結構的設計優勢。受珊瑚啟發，工程師們在新的制造工藝中使用更薄的材料，并消耗更少的能量。馬勒全球熱管理開發主管Uli Christian Blessing 博士表示，該種新型電池冷卻板對提升冷卻技術具有出色的效果，并且在結構穩定性方面具有巨大優勢，馬勒將于 2023 年 9 月在慕尼黑 IAA Mobility 上首次展示其新型仿生電池冷卻板。
展開 目前，新能源汽車主要采用“液體冷卻”
的方式來控制電池包的溫度，常見的方式有兩種：
（1）將電池單體或模塊沉浸在絕緣液體（如礦物油）中；
（2）在電池模塊間設置冷卻通道，或在電池底部采用冷卻板。
下面以通用 VOLT 汽車和特斯拉的 MODEL 3 為例，看看他們是怎么給電池包散熱的：
1、通用汽車的 VOLT：
采用乙二醇溶液作為冷卻液，在兩個軟包電芯之間設置冷卻板，冷卻板內刻有液
體流道，同時電池包之間還有并行流道，通過液體對流換熱，將電池產生的熱量帶走。
散熱部件結構緊湊、成本較低：
2、特斯拉的 Model 3:
與通用 VOLT 的并行流道相比，特斯拉的電池包散熱則是采用串行流道，冷卻板
安裝于電池間隙，這個設計的結構設計難度較大，同時，蛇形冷卻板在較大程度上增
加了液冷系統的壓力損失，需要加大流量進行補償。
特斯拉的電池包管理系統中，還增加了對“廢熱”的利用和管理，即：利用車上
各種電子設備和動力系統在工作過程產生的廢熱來給電池加熱，這樣，在不額外增加
電能消耗或少耗能的情況下也能保證電池包的溫度，特別適用于寒冷地區的車輛使用。
可見，一個設計優良的電池包熱管理系統，不僅能充分利用車輛的空間，還能變廢為
寶，把電池的能量用到極致。
展開 圖2 特斯拉閥毛細管冷卻轉道液冷板：(a)原裝、(b)正向和(c)反向。
圖3 三種液體冷卻板中冷卻劑進出口溫度的關系。
圖4 三種液體冷卻板的溫度。
圖5 不同型號的液體速度比較：(a)原始，(b)反向和(c)正向。
END
★ 平臺聲明
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02
成果掠影
近期，華南理工大學機械與汽車工程學院簡棄非教授團隊提出了一種新穎的被動冷卻方案，將均熱板集成到質子交換膜燃料電池堆中進行熱管理。研究團隊設計并制作了1.32 mm厚的均熱板，并通過使用加熱墊在不同功率下進行測試來驗證其傳熱性能。在確認均熱板能夠滿足散熱要求后，在快速啟動和穩態運行期間對與均熱板耦合的電池堆的輸出特性進行實驗評估。結果表明均熱板在熱通量密度僅為 0.052 W/cm2的情況下有效運行在蒸發部分，同時在 48 W 下保持最大面內溫差 2.6 °C。在電池堆從 0 A 到 40 A 的快速啟動加載過程中，均熱板表現出快速的熱響應和出色的溫度均勻性，防止由于工作溫度不當而導致堆棧性能下降。與一般的風冷電池堆相比，與均熱板結合的電池堆的電壓顯著提高了 21.7%。這些結果系統地證明了均熱板用于風冷質子交換膜燃料電池堆熱管理的可行性。相關研究成果以“Experimental study of a passive thermal management system using vapor chamber for proton exchange membrane fuel cell stack”為題發表于《Renewable Energy》。
03
圖文導讀
圖1 (a)PEMFC傳熱原理圖，(b)蒸汽室工作原理圖。
展開 02
電池系統內冷卻結構
而內部水冷板，Honda e是沿用之前的方案，采用了獨立的水冷板的方式，兩個模組共用一塊長的水冷板（Water Jacket）布置在個模組的底部。和之前不一樣的地方：
1）PHEV：從一頭進另一頭出，從尾部的四塊水冷版接入，然后從頭部的三塊板串行輸出
2）BEV：進出水口設置在冷板的中間，進出水管也布置在中間，這里在之前的做法里面，改進了串聯的部分，這里可能也涉及到一定的妥協
備注：目前來看，絕大部分專用的BEV平臺都是考慮把電池托盤和水冷板一體化
圖2 電池系統內的冷卻板
這里兩個電池包的寬度也可能有一定的差異，之前PHEV的冷板明顯是一整塊，而BEV的做法是兩塊結合在一起，和中間的板子結合在一起，這個TIM是一整塊。
圖3 之前的冷板的設計
兩個系統的流速是有一定的差異的，一個是1.5L/min，差異在0.5K/min；而并聯后的流速的需求在1.3L/min左右，實際的差額是大于0.5K/min，這里還是7個流道回路和12個流道回路的設計差異。
展開 
冷卻板的最新內容
隨著冷卻，兩塊板之間形成一個連續的固體焊縫。整個過程中不會發生熔化，產生的溫度始終低于所連接金屬的固相線溫度。攪拌摩擦焊相較于傳統焊接技術具有諸多優勢，并已在航空航天、汽車和造船等行業成功應用。
在攪拌摩擦焊過程中，熱行為和機械行為是相互依存的。由于溫度場會影響應力分布，因此本示例采用了一個完全熱機械耦合模型。該模型由具有結構和熱自由度的耦合場實體單元組成。
1.3 揮發成霧性測試
采用直徑80 mm、厚度2 mm 的圓板在160℃下加熱24 h，揮發物會凝結在一片經 21℃冷卻的玻璃板上，采用600光澤度儀測量其反射率(R)，并與空白玻璃的反射率(‰)比較，計算出被測物質前后的光澤度反射系數(FR)：FR=(R/R0)x100。
下面以通用 VOLT 汽車和特斯拉的 MODEL 3 為例，看看他們是怎么給電池包散熱的：
1、通用汽車的 VOLT：
采用乙二醇溶液作為冷卻液，在兩個軟包電芯之間設置冷卻板，冷卻板內刻有液
體流道，同時電池包之間還有并行流道，通過液體對流換熱，將電池產生的熱量帶走。
要實現電池的加熱/冷卻，需使冷媒流入貼在電池底部的冷卻板中（圖5）。
圖4 海豹的冷媒回路
10根管子從Nonavalve伸出來。分別是連接壓縮機、車外冷凝器、HVAC內的冷凝器和蒸發器、電池等5個組件的往返管道。不過，與電池相連的管道隱藏在Nonavalve的下方。冷媒是R-134a。（攝影:加藤康）
圖5 貼在電池底部的冷卻板
自下往上看正在拆解的海豹的樣子。
要實現電池的加熱/冷卻，需使冷媒流入貼在電池底部的冷卻板中（圖5）。
圖4 海豹的冷媒回路
10根管子從Nonavalve伸出來。分別是連接壓縮機、車外冷凝器、HVAC內的冷凝器和蒸發器、電池等5個組件的往返管道。不過，與電池相連的管道隱藏在Nonavalve的下方。冷媒是R-134a。（攝影:加藤康）
圖5 貼在電池底部的冷卻板
自下往上看正在拆解的海豹的樣子。
馬勒全球熱管理開發主管Uli Christian Blessing 博士表示，該種新型電池冷卻板對提升冷卻技術具有出色的效果，并且在結構穩定性方面具有巨大優勢，馬勒將于 2023 年 9 月在慕尼黑 IAA Mobility 上首次展示其新型仿生電池冷卻板。
來源 | Renewable Energy
01
背景介紹
質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將氫能轉化為電能的直接能源裝置，具有能源效率高、啟動快、無污染排放等優點，因而被廣泛應用于分布式發電、便攜式供電、交通運輸等領域。然而，PEMFC在輸出電能的同時釋放大量廢熱，影響其工作溫度。過高的溫度會導致膜電極組件降解并造成不可逆的損壞
研究結果表明，使用兩個流向相反的冷卻板代替一側冷卻，可將最大溫差從10℃降低到5℃，降低50%，并在1.98C充電時將最高溫度降低7℃。這表明采用兩側液冷可以顯著提高電池的熱性能，這對于快速充電和電池整體性能至關重要。這項研究對行業的影響意義重大，因為它提供了如何改進電動汽車電池組的設計和熱管理的見解。
圖3 實驗數據：(a) OCV vs；SOC在25年℃；(b)dE/dTvsSOC；(c)電池極化內阻和歐姆內阻為25℃
圖4 (a)電壓擬合數值模擬；(b)表面溫度擬合數值模擬
圖5 (a)對LPCM進行網格的網格劃分方法；(b)網格獨立性測試；(c)時間步長獨立性
圖6 平行相變液冷卻板結構
Deng等通過數值仿真研究了傳統蛇形通道冷板的通道數量、布局和冷卻液入口溫度對冷卻板熱性能的影響，研究表明沿著液冷板長度方向布置的5通道蛇形液冷板具有最佳的冷卻性能，但是需要消耗更多的泵功來實現。元佳宇等設計了具有單向流通結構和雙向對流結構的蛇形管路電池組熱管理系統，比較了不同質量流量下兩種結構的熱力性能，結果表明雙向流結構有效提高了電池模塊的均溫性。
