英语原文共 48 页
不同风冷策略对带导风板的锂离子电池模块冷却性能的影响
重点
bull;研究了60芯电池模块的热特性。
bull;通过改变入口和出口位置来研究不同的空气冷却策略。
bull;导风板是用于改善60芯电池模块中的气流分布的。
bull;实现了60芯电池模块的最佳冷却性能。
摘要
在这项工作中，使用了计算流体动力学（CFD）的方法和单个电池的集总模型来研究18650电池模块的热特性，该电池模块由60个电池和标准电池座组成。探讨了具有电池座阻抗的电池模块的空气冷却性能。通过改变气流入口和出口的相对位置来研究不同的空气冷却策略，以获得最佳的冷却方式。然后，为了改善具有侧向入口和出口的空气冷却的性能，使用导风板来改善气流分布。利用瞬态模拟得出了模块的温度分布，结果表明，入口和出口在不同侧时的冷却性能优于在同侧时，而且使用导风板可以大大提高有侧向入口和出口的的空气冷却策略的热性能。在空气流入口和流出口位于壳体的不同侧面时，使用导风板实现了最佳的冷却性能。
关键词
冷却性能；锂离子电池模块；入口和出口相对位置；导风板；空气冷却策略
命名法
比热容（J··）
e总能量（J）
E开路电压（V）
F法拉第常数（C·）
I电流（A）
p压力（Pa）
Q发热率（W）
k导热系数（W··）
n电子流量（mol）
R电阻（Omega;）
总内阻（Omega;）
SOC充电状态
Delta;S熵变（J·）
T温度（K）或（）
Delta;T温差（）
平均温度（）
t时间（s）
u速度（m·）
V电池电压（V）
dE/dT熵系数（V·）
希腊语
▽梯度算子
rho;密度（kg·）
下标
dev标准差
最大值
min最小值
irr不可逆转的反应
r总反应
re可逆反应
x方向
y y方向
z z方向
缩略语
ABS丙烯腈-丁二烯-苯乙烯
BMS电池管理系统
BTMS电池热管理系统
C容量
CFD计算流体动力学
EV电动汽车
FCEV燃料电池电动汽车
HEV混合动力汽车
HPPC混合脉冲功率表征
ICEV内燃机车辆
NCM
PCM相变材料
PHEV插电式混合动力汽车
3-D三维
1.简介
随着全球对能源资源，特别是对化石燃料的需求不断增加，全世界的人们都面临着环境污染、全球变暖和能源危机的威胁。具体而言，世界上一次能源消耗总量的80％基于化石燃料，49％的石油资源已经被运输消耗所占据。为了减少温室气体的排放并避免能源短缺，绿色能源和清洁车辆受到了很多关注。斯蒂芬等人指出应在跨国和跨行业工作组的合作下建立一套安全和测试标准，以促进清洁车辆的发展。与传统内燃机车（ICEV）相比，清洁车辆，包括纯电动汽车（EV），混合动力汽车（HEV），插电式混合动力电动汽车（PHEV）和燃料电池电动汽车（FCEV），可有效减少温室气体排放和污染物排放，节约能源。 Andersen等人的一项研究表明，使用可再生电力资源，电动汽车可以减少高达40％的温室气体排放。
目前，为清洁能源汽车开发适当的存储系统以进一步商业化仍然受到许多机构和研究人员的高度关注。合适的蓄电系统应提供长的驱动范围和理想的加速能力，这需要大规模容量和高工作电压。在其他现有的动力电池中，锂离子电池具有低自放电率，高能量密度，良好的稳定性和高电压，被认为是EV，HEV和PHEV应用中最具吸引力和理想的储能解决方案。然而，锂离子电池的性能，包括能效，循环寿命和放电容量，在很大程度上取决于它们的热管理。锂离子电池的适当工作温度通常在20°C至40°C之间。此外，锂离子电池放电率的增加会导致电池主表面温度升高。为了缓解锂离子电池在放电和充电过程中的快速升温和提高稳定性，电池热管理系统（BTMS），包括空气冷却策略，液体冷却策略，相变材料（PCM）策略和热量管道策略已被许多研究人员调查过。 Saw等人使用稳态仿真分析了一个带有空气冷却的电池模块，它提供了一种估算电池组热性能的简单方法。 Panchal等人设计了一个带水冷却的锂离子电池热管理系统，发现放电率增加和工作温度升高导致冷板温度升高。凌等人研究了基于PCM的热管理系统的性能，仿真结果与实验数据吻合良好。赵等人开发了一种采用湿式冷却的热管热管理系统，能够在适当的温度范围内控制电池组的温度。
空气冷却方法具有结构简单，重量轻，成本低的优点，其他BTMS可能没有。在能量密度，循环寿命和锂离子电池大电流要求不断增加的压力下，绝对导致运行过程中产生更多的热量，优化现有的空气冷却方法，探索简化结构的创新策略，近来引起了人们的广泛关注。几十年。 Mahamud和Park通过使用翻转门和独特的管道来应用往复气流，以改善传统单向流动的温度分布，并且在模拟中采用了二维CFD模型和集总电容热模型。 Park设计了一个带锥形歧管的空气冷却系统，以满足棱柱电池的冷却性能，而无需改变现有电池系统的布局。 Wang探讨了不同空冷策略下电池模块的热性能，并得出结论：当风扇位于模块顶部时，可以获得最佳的冷却性能。刘先生提出了一种快速计算方法来评估并联风冷大型电池组的温度和气流速度曲线，并利用该模型研究了压力通风系统的板角，最小压力通风系统宽度和电池的影响。单元间隔通过改变这些结构参数来改善电池组的热性能。 Shahid等人采用被动方法，其中将进气室作为次级入口添加到具有轴向气流的电池组，并得出结论，在气流中引入混合和湍流可以增加电池组中的温度均匀性。谢等人使用实验和CFD模拟来优化三个结构参数并改善空气冷却BTMS的热性能。 Sefidan等人开发了一种基于纳米流体的圆柱形锂离子电池组冷却系统，采用强制气流，有效降低了电池的最高温度。洪等人使用二级通风口改善了并联风冷BTMS的冷却性能，并得出结论：随着二级通风口尺寸的增加，BTMS的冷却性能变得更好。 Lu等人研究了用于交错布置的18650锂离子电池的空气冷却BTMS，发现当气流入口和出口位于电池组顶部时，可以实现最佳的冷却性能。陈等人在并联风冷电池热管理系统中对电池组进行了配置优化，优化的BTMS显着改善了温差。然而，在由圆柱形电池（尺寸18650）组成的锂离子电池组的实际EV应用中，由于结构复杂性和由于压力通风系统的存在引起的额外体积，并行空气冷却方法很少用作BTMS。此外，由于标准18650电池座造成的空气阻碍，将电池模块顶部的进气口设置为高效方式可能无法正常工作。
在本文中，选择由60个18650电池和电池座组成的电池模块作为研究对象。考虑到成本，重量和空间限制，强制空气冷却是实现所需冷却性能的最简单方法。为了分析模块的热性能，在瞬态仿真过程中采用了CFD方法和单电池集总模型。通过实验获得了细胞瞬态发热率的热学参数，以保证其准确性，并通过自然对流下单细胞恒流放电实验验证了模拟模型。首先研究了不同气流入口位置的空气冷却效果。为了改善电池模块的温度分布，已经设计了挡板或气流分配器并将其引入模块。此外，还讨论了不同侧向入口位置的影响以获得电池模块的最佳热性能。
2.实验
2.1。 发热考虑
选择特定的商用18650锂离子电池来构建模块，并且在模块中使用的（NCM）电池的规格总结在表1中。
表1.锂离子电池的参数
|
参数 |
值 |
参数 |
值 |
|
标称电压（V） |
3.7 |
径向导热系数（J··） |
0.2 |
|
标称容量（Ah） |
2.6 |
轴向导热系数（J··） |
37.6 |
|
单个电池质量（kg） |
0.0475 |
比热容（J··） |
1200 |
|
负极材料 |
单个电池长度（m） |
0.065 |
|
|
正极材料 |
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