動(dòng)力電池冷卻性能分析
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動(dòng)力電池冷卻性能分析的視頻教程
HyperWorks CFD仿真案例：電池包冷卻分析
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基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新能源汽車動(dòng)力電池SOC的分析
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動(dòng)力電池冷卻性能分析的實(shí)例教程
與空氣冷卻相比，液體冷卻具有比熱容和對(duì)流換熱系數(shù)大的優(yōu)勢(shì)。液體冷卻系統(tǒng)與電池組進(jìn)行換熱時(shí)，能將電池組的熱量迅速帶出電池包，快速實(shí)現(xiàn)散熱需求。HUOYutao [7] 等設(shè)計(jì)了一種基于直流道液冷板對(duì)方形鋰離子電池進(jìn)行冷卻，研究電池放電過程溫升和溫度分布的影響, 結(jié)果表明電池的最高溫度隨通道數(shù)量和入口質(zhì)量流量的增加而降低。袁昊[8] 等比較U 型流道不同出口位置、管徑、間距對(duì)電池組散熱性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)口與出口同側(cè)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)分布均勻。DENG Tao [9]等建立了蛇形通道結(jié)構(gòu)的冷板，分析了冷卻通道數(shù)量、通道布局和冷卻劑入口溫度對(duì)電池熱管理系統(tǒng)冷卻性能的影響，結(jié)果表明5 通道長(zhǎng)度方向的通道布局具有最有效的冷卻性能。特斯拉公司的D. Adams [10] 等將扁平管放置在兩排圓柱形電池間對(duì)其冷卻，冷卻管內(nèi)部分為4 個(gè)通道，通過冷卻液逆向流動(dòng)來(lái)確保電池間的溫均性。A. Jarrett [11] 對(duì)一個(gè)冷卻板進(jìn)行了參數(shù)化建模，定義了壓降、平均溫度和溫度均勻性的目標(biāo)函數(shù)，并使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法優(yōu)化了冷板的通道寬度和位置。單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果表明壓力目標(biāo)和平均溫度目標(biāo)是一致的，但是和溫度均勻性目標(biāo)相悖。A. Jarrett [12] 在單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，通過添加中間權(quán)衡因子和對(duì)目標(biāo)函數(shù)引入約束自適應(yīng)加權(quán)和，對(duì)冷板進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，為冷板設(shè)計(jì)提供參考。
本文根據(jù)電池組具體幾何形狀及其散熱結(jié)構(gòu)，提出一種并聯(lián)非等長(zhǎng)直流道的液冷板結(jié)構(gòu)方案，將其熱特性與并聯(lián)等長(zhǎng)直流道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，探究液冷板溫度分布、電池組溫度分布、液冷板壓降以及冷卻液流量和冷卻液溫度對(duì)電池包散熱性能的規(guī)律。
展開 1概述
電池作為純電動(dòng)車的動(dòng)力元件，直接影響到車輛的續(xù)駛里程、壽命和整車性能。對(duì)于純電動(dòng)車來(lái)說，動(dòng)力電池的充放電可能隨時(shí)進(jìn)行。充放電是典型的電化學(xué)過程，其伴生的反應(yīng)熱很容易引起電池組內(nèi)100℃以上的溫差，如不及時(shí)散熱，對(duì)充放電過程、電池的可靠性和壽命都有極大的負(fù)面影響，電池熱效應(yīng)問題也會(huì)影響到整車的性能和壽命。目前對(duì)動(dòng)力電池冷卻主要是:保證充放電時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)散出;各模塊間溫度分布均勻。因此，本文以國(guó)內(nèi)某輕型商用純電動(dòng)車用磷酸鐵鋰電池包為研究對(duì)象，對(duì)現(xiàn)有電池冷卻方案進(jìn)行了性能試驗(yàn)對(duì)比和數(shù)據(jù)分析，確定了電池包冷卻的最終方案。
2動(dòng)力電池冷卻方案
動(dòng)力電池的冷卻主要有風(fēng)冷、制冷劑冷卻和水冷三種方式;與其他兩種冷卻技術(shù)相比，風(fēng)冷方式技術(shù)更成熟，其研發(fā)、制造成本相對(duì)較低，周期短，目前被廣泛采用，國(guó)內(nèi)目前市場(chǎng)上的純電動(dòng)汽車也主要以風(fēng)冷為主。風(fēng)冷方式又分自然冷卻和強(qiáng)制冷卻。因此，某輕型商用純電動(dòng)車型動(dòng)力電池也選擇風(fēng)冷方式，設(shè)計(jì)了強(qiáng)制冷卻和自然冷卻兩種風(fēng)冷方式。強(qiáng)制冷卻是由鼓風(fēng)機(jī)將乘員艙內(nèi)被空調(diào)冷卻的25～30℃空氣抽進(jìn)電池箱體，通過電池箱體內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流帶走電池散發(fā)的熱量，最后排入環(huán)境中。自然冷卻無(wú)單獨(dú)冷卻系統(tǒng)，僅依靠自然對(duì)流散熱，該方式電池溫度高，但成本低。
為滿足車輛總重量大、續(xù)駛里程長(zhǎng)的要求，該車型選用磷酸鐵鋰電池電容量達(dá)75kWh。因在現(xiàn)有成熟車型上進(jìn)行動(dòng)力總成改型設(shè)計(jì)，受車體空間影響，電池必須安放在地板下，且電池模塊必須分別放置在前后兩電池箱內(nèi)才能滿足安裝要求。電池包冷卻方案結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。
展開 來(lái)源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車（EV）和儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）等領(lǐng)域，其性能直接影響了系統(tǒng)運(yùn)行的安全與效率。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、成本低、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但它們的性能對(duì)溫度非常敏感。熱安全性是限制電池發(fā)展的重要因素。通常情況下，電池模塊的最高溫度應(yīng)保持在288~313 K之間，電池之間的最大溫差應(yīng)控制在5 K以內(nèi)，以保證電池穩(wěn)定運(yùn)行。
電池熱管理系統(tǒng)的特點(diǎn)主要包括體積小、成本低、安裝簡(jiǎn)單、可靠性好等，也分為有源或無(wú)源、串聯(lián)或并聯(lián)等。無(wú)論是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還是混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，電池都是主要組成部分。充電時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)充當(dāng)負(fù)載，放電時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)充當(dāng)發(fā)電機(jī)組，并且只能在一定的溫度范圍內(nèi)放電和儲(chǔ)存電力。電池熱管理系統(tǒng)可以保證電池工作在最佳溫度范圍并保證電芯和模組的溫度均勻性，高溫會(huì)加劇電池內(nèi)部的副反應(yīng)，影響電池壽命甚至引發(fā)熱失控。然而低溫會(huì)導(dǎo)致內(nèi)阻增大、容量下降，進(jìn)而導(dǎo)致電池性能下降。因此，為了實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳性能，需要合適的電池熱管理系統(tǒng)。
02
成果掠影
近期，吉林大學(xué)江彥老師團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高效的電池熱管理系統(tǒng)，可以控制電池模塊的溫度，從而提高整體性能。該研究針對(duì)由12節(jié)方形LiFePO4電池組成的電池模塊設(shè)計(jì)了不同類型的液冷熱管理系統(tǒng)。以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬為主要研究工具，提出了從傳熱和流動(dòng)阻力兩個(gè)方面評(píng)價(jià)冷板性能的參數(shù)，以及冷卻面、入口數(shù)量和冷卻液方向?qū)ζ?em>冷卻效果進(jìn)行了研究。
展開 同時(shí)開展低溫消泡性能測(cè)試，以保障流場(chǎng)的均一性，杜絕微觀氣蝕與局部熱點(diǎn)隱患。
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鋰離子電池作為電動(dòng)汽車（EV）的核心部件，廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車（HEV）、插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）和純電動(dòng)汽車（BEV）。動(dòng)力電池的性能很大程度上決定了整車的性能。電池的能量密度越高，電動(dòng)汽車的續(xù)航能力就越好。高能量密度電池在充電和放電過程中會(huì)產(chǎn)生高熱量，如果熱量長(zhǎng)時(shí)間聚集在一起，不僅會(huì)損害電池的使用壽命，還會(huì)增加熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸨ǎ＜叭松戆踩ＴO(shè)計(jì)良好的電池熱管理系統(tǒng)（BTMS）可以有效散熱，提高車輛性能，保證車輛和駕駛員的安全。因此，電池熱管理系統(tǒng)具有重要的研究?jī)r(jià)值和理論意義。當(dāng)前的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，以降低系統(tǒng)的最高溫度為主要目的。然而，冷卻系統(tǒng)的體積對(duì)于電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)也很重要，卻很少受到關(guān)注。
02
成果掠影
近期，新疆大學(xué)盧浩老師團(tuán)隊(duì)提出了一種新的電池熱管理系統(tǒng)優(yōu)化策略，該策略綜合考慮系統(tǒng)體積和冷卻性能，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定合適的熱管理策略。所提出的方法分為四個(gè)步驟：優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建立計(jì)算代碼、多目標(biāo)優(yōu)化和綜合模擬決策。基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值模擬用于驗(yàn)證優(yōu)化后系統(tǒng)的冷卻性能。與當(dāng)前三種電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，體積最多減少了13.01%。穩(wěn)定發(fā)熱過程中，最大溫差分別降低了65.79%、40.65%和63.69%，溫度均勻度分別提高了65.87%、34.93%和60.80%。電池組非穩(wěn)態(tài)發(fā)熱情況下，5C放電倍率的時(shí)候，最大溫差下降2.28 K，最大溫差和溫度均勻性分別下降57.11%和49.15%。
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動(dòng)力電池冷卻性能分析的最新內(nèi)容
隨著非化石能源開發(fā)與儲(chǔ)能技術(shù)的跨越式發(fā)展，新能源汽車及高密度數(shù)據(jù)中心對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的能量密度提出了極高的要求。在充放電循環(huán)中，動(dòng)力電池內(nèi)部高能量密度的上升往往伴隨巨量熱流的產(chǎn)生。若無(wú)法及時(shí)耗散熱量，局部熱點(diǎn)的積聚不僅會(huì)加速電池老化，在極端工況下更易引發(fā)熱失控（Thermal Runaway），導(dǎo)致電池起火乃至爆炸的災(zāi)難性后果。因此，構(gòu)建高效、安全的熱管理系統(tǒng)是突破產(chǎn)業(yè)瓶頸的核心任務(wù)。
傳統(tǒng)的空氣冷卻與間接式液冷存在接觸熱阻大
因?yàn)楦邷貢?huì)使電池的循環(huán)壽命明顯降低，同時(shí)在高倍率充電時(shí)也不安全。目前市面上的新能源車電池，主要有4種電池冷卻方式，分別是自然冷卻、風(fēng)冷和液冷、直冷這四種。
汽車電池?zé)峁芾砝鋮s方式介紹
自然冷卻
自然冷卻是最基礎(chǔ)和最簡(jiǎn)單的冷卻方式，?是依賴環(huán)境溫度進(jìn)行散熱的被動(dòng)方式，?利用空氣的自然對(duì)流來(lái)散熱，不需要額外的能源輸入。
?這種方式優(yōu)點(diǎn)是成本低、?無(wú)能耗且不需要額外空間，?缺點(diǎn)是散熱效率較低，?
來(lái)源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
開發(fā)和使用電動(dòng)汽車是實(shí)現(xiàn)碳中和的最有效方法之一。鋰離子電池作為電動(dòng)汽車（EV）的核心部件，廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車（HEV）、插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）和純電動(dòng)汽車（BEV）。動(dòng)力電池的性能很大程度上決定了整車的性能
來(lái)源 | Applied Thermal Engineering
01
背景介紹
如今，電動(dòng)汽車已成為汽車行業(yè)的主流發(fā)展方向，對(duì)于解決能源短缺和環(huán)境惡化問題具有重要意義。動(dòng)力電池是決定電動(dòng)汽車整體性能的關(guān)鍵部件之一，近年來(lái)，鋰離子電池以其功率密度高、自放電率低、制造成本不斷降低等優(yōu)點(diǎn)得以大力推廣
來(lái)源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車（EV）和儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）等領(lǐng)域，其性能直接影響了系統(tǒng)運(yùn)行的安全與效率。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、成本低、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但它們的性能對(duì)溫度非常敏感。熱安全性是限制電池發(fā)展的重要因素
車載動(dòng)力電池包在電動(dòng)汽車行駛過程中承受著振動(dòng)載荷的持續(xù)作用，因此振動(dòng)試驗(yàn)是電池包可靠性試驗(yàn)中的重要部分。動(dòng)力電池包作為電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能裝置，在可靠性發(fā)生失效的情況下，尤其是當(dāng)一些關(guān)鍵部件或結(jié)構(gòu)失效（例如出現(xiàn)松動(dòng)、斷裂等情況）時(shí)，電池單體或者模組將發(fā)生位移、晃動(dòng)或者被擠壓的情況，這將進(jìn)一步造成相關(guān)部件的加速損壞，導(dǎo)致漏電或者采樣傳感器的失效，甚至誘發(fā)電池性能衰減，管理系統(tǒng)失效
摘要：為延長(zhǎng)電池使用壽命，提高電池安全性，需要對(duì)電池進(jìn)行熱管理。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在理論分析、仿真建模、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì)工作，綜合考慮了電池產(chǎn)熱原理、產(chǎn)熱模型、發(fā)熱功率后，確定了基于液體的熱管理模式。使用CFD軟件對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析，并對(duì)工程樣機(jī)熱管理有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
當(dāng)前，整個(gè)電動(dòng)汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展。電池是電動(dòng)汽車核心部件，電池的熱特性對(duì)整車性能、安全性、壽命及使用成本產(chǎn)生關(guān)鍵影響
來(lái)源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
鋰離子電池由于比其他電池類型具有更高的優(yōu)勢(shì)，例如高能量密度、低自放電率、重量輕、零記憶效應(yīng)和長(zhǎng)生命周期，因此在汽車行業(yè)中變得無(wú)處不在。然而，鋰電池在一個(gè)狹窄的溫度范圍內(nèi)工作最佳：15–40°C。在低于此范圍的溫度下，電解質(zhì)中的離子電導(dǎo)率會(huì)顯著降低
摘要：為延長(zhǎng)電池使用壽命，提高電池安全性，需要對(duì)電池進(jìn)行熱管理。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在理論分析、仿真建模、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì)工作，綜合考慮了電池產(chǎn)熱原理、產(chǎn)熱模型、發(fā)熱功率后，確定了基于液體的熱管理模式。使用CFD軟件對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析，并對(duì)工程樣機(jī)熱管理有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
當(dāng)前，整個(gè)電動(dòng)汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展。電池是電動(dòng)汽車核心部件，電池的熱特性對(duì)整車性能、安全性、壽命及使用成本產(chǎn)生關(guān)鍵影響
工信部日前公布的數(shù)據(jù)顯示，2022年我國(guó)鋰電年總產(chǎn)值首次突破萬(wàn)億元，超過1.2萬(wàn)億元。重點(diǎn)在消費(fèi)、動(dòng)力和儲(chǔ)能三大應(yīng)用領(lǐng)域，其中動(dòng)力電池的占比超過了70%。工信部相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：下一步，我國(guó)將從多方面推進(jìn)新型電池產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
鋰電在綠色化轉(zhuǎn)型過程中將起到關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)支撐作用，隨著我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，鋰電產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)快速增長(zhǎng)期。最新數(shù)據(jù)顯示，1-2月，我國(guó)動(dòng)力電池累計(jì)產(chǎn)量
