Ein Flüssigkühlplattendesign für Lithiumbatterien von Elektrofahrzeugen

Entwerfen Sie a flüssigkeitsgekühlte Platte für Softpack-Lithiumbatterien von Elektrofahrzeugen.Basierend auf der ermittelten internen Kanalrichtung und der orthogonalen Testdesignmethode wird CFD-Software verwendet, um die Auswirkungen der Kühlmitteldurchflussrate (V), der Anzahl der Kanäle (N), der Kanalbreite (W) und der Kanalhöhe (H) zu untersuchen und zu analysieren ) auf die Wärmeableitungsleistung und Druckabfallleistung der flüssigkeitsgekühlten Platte.Die optimierte Struktur der Flüssigkeit Kühlplatte wird anhand der Ergebnisse des experimentellen Entwurfs und der Simulationsberechnung ermittelt und die damit verbundene Leistung getestet.Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Batterie in einem angemessenen Temperaturbereich befindet und im Wärmeableitungszustand einen hervorragenden Temperaturgradienten mit optimierter Struktur aufweist, sodass die Optimierung abgeschlossen ist.Auf der Grundlage der Optimierungsergebnisse wird die alternative Strömungsrichtungsanordnung und der Einfluss der Strömungsrichtung auf die Arbeitsleistung der Flüssigkeit untersucht Kühlplatte analysiert wird.Der Vergleich zeigt, dass die Verwendung eines alternativen Strömungsschemas dazu führen kann, dass die Batterie eine bessere Betriebstemperaturumgebung hat, was eine Referenz für das Design der Flüssigkeitskühlplatte der Batterie darstellt.

Das Batterie-Wärmemanagement war schon immer ein heißes Thema von Winshare Thermal, das in Luft-, Flüssigkeits- und Phasenwechselmaterial-BTM unterteilt ist.Air BTM bietet Kosten- und Strukturvorteile.Studien haben jedoch ergeben, dass die Luftkühlung nicht nur den Temperaturgradienten von Batteriezellen nicht effektiv steuern kann, sondern auch extreme Bedingungen wie das thermische Durchgehen der Batterie nicht bewältigen kann.BTM arbeiten mit der latenten Wärme des Phasenwechsels und sind derzeit auf die theoretische Forschung beschränkt, werden jedoch nicht in großem Umfang kommerziell genutzt.Flüssige BTM wurden in den letzten Jahren aufgrund ihrer Vorteile wie hohem Wärmeübertragungskoeffizienten, großer Wärmeableitung und kompakter Struktur weit verbreitet.Zahlreiche Experimente und Simulationen haben ergeben, dass die Flüssigkeitskühlung gegenüber der Luftkühlung offensichtliche Vorteile hat.

Eine Flüssigkeitskühlplatte vom Klemmtyp mit integrierten Mikrokanälen ist für Beutelbatterien konzipiert.Die Batterieinformationen und das Modullayout sind in Tabelle 1 und Abbildung 1 dargestellt.

Die Oberflächengröße der Kühlplatte entspricht der der Batterie, die Dicke beträgt 10 mm und das Material ist eine Aluminiumlegierung.Behalten Sie die Richtung und relative Lage der zentralen Grundleitung bei und erhöhen Sie die Anzahl der Leitungen in Abständen von 2 mm.Die Längen jeder parallelen Rohrleitung sind gleich und die Mitte ist symmetrisch, was sich positiv auf die Vereinfachung der nachfolgenden Forschungsarbeiten zur Strömungsrichtung auswirkt.

Die selbst erzeugte Wärme von Lithiumbatterien umfasst interne Reaktionswärme, Polarisations-Innenwiderstandswärme, Ohmsche Innenwiderstandswärme und Nebenreaktionswärme.Bei der Wärmeerzeugung der Zielbatterie handelt es sich hauptsächlich um Ohmsche Innenwiderstandswärme, sodass die Ohmsche Innenwiderstandswärme näherungsweise als Gesamtwärmeerzeugung dargestellt wird.Die Konstruktionsbetriebsbedingung besteht darin, dass die Batterie bei 27 °C und 100 % Ladezustand mit einer Rate von 2 °C entladen wird.

Das Simulationsmodell basiert hauptsächlich auf ANSYS Fluent16.0.Die Randbedingung der Simulation ist eine anfängliche Umgebungstemperatur von 300 K. Die Einlassöffnung des Kühlmittels entspricht der Durchflusseinlassbedingung und die Temperatur stimmt mit der Umgebungstemperatur überein.Der Auslassanschluss befindet sich im Druckauslasszustand und der Rücklaufdruck beträgt 0 kPa.Mit Ausnahme der beiden Seiten, die die Wärmeerzeugung der Batterie darstellen, sind die anderen Oberflächen als adiabatische Wände festgelegt, was bedeutet, dass der Wärmefluss 0 beträgt.

Die vier Parameter Kühlmitteldurchfluss (V), Anzahl der Läufer (N), Läuferbreite (W) und Läuferhöhe (H) werden in unterschiedlichen Kombinationen simuliert.Als Indikatoren zur Auswertung werden die höchste Temperatur, die größte Temperaturdifferenz und der Druckverlust herangezogen.Unter Berücksichtigung von Kosten und Recheneffizienz wird ein in der Praxis weit verbreitetes orthogonales Experimentdesign übernommen, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Die Verwendung von 4 Faktoren innerhalb eines angemessenen Bereichs ergibt eine orthogonale Tabelle.Testen Sie gemäß der Tabelle das Niveau jedes Faktors, um den Einfluss jedes Faktors auf den Index und die Wechselwirkung zwischen den Faktoren zu untersuchen und die optimale Kombination zu finden.Der Bewertungsindex verwendet maximale Temperatur, maximale Temperaturdifferenz und Druckverlust, um die Wärmeableitung und hydraulische Leistung zu charakterisieren.Die maximale Temperatur und die maximale Temperaturdifferenz beziehen sich auf die maximale Temperatur und Reichweite der Batterieoberfläche im stationären Zustand.Der Druckverlust ist die Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass der Kühlplatte in diesem Moment.

Um den Einfluss der Anzahl der Läufer auf die Kühlleistung unabhängig zu untersuchen, hat eine Änderung der Anzahl der Läufer keinen Einfluss auf den Kühlmittelfluss, während die anderen drei Faktoren erhalten bleiben.Anders als bei herkömmlichen Kufenbreitenstudien wird die tatsächliche Kufenbreite durch die folgende Formel ausgedrückt.

Wie in Tabelle 2 gezeigt, geben die vorherigen Daten in der Spalte „Läuferbreite“ die verschiedenen Stufen des Läuferfaktors an, und die Daten in den hinteren Klammern geben die tatsächliche Läuferbreite an.

Die 4 Sätze von Simulationsergebnissen in Abbildung 2 zeigen, dass die Standardabweichungsschwankungen der Maximaltemperatur, der Durchschnittstemperatur und des Druckverlusts weniger als 2 % betragen.Um genauere Ergebnisse und eine genauere Oberflächentemperaturverteilung zu erhalten, wird das Gitter mit 251193 Elementen für die Simulation ausgewählt.

Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass 16 Gruppen von Kühlplatten simuliert und verglichen werden müssen.Beim Vergleich der Daten zu maximaler Temperatur, maximalem Temperaturunterschied und Druckverlust wird festgestellt, dass das Design von Nr. 16 die maximale Temperatur der Batterie am niedrigsten machen kann, Nr. 14 den kleinsten Temperaturunterschied erreicht und Nr. 3 Flüssigkeit kalt ist Platte hat den geringsten Druckverlust.

Darüber hinaus kann der Einflussgrad der verfügbaren Faktoren auf die entsprechenden Indikatoren durch die Analyse des Mittelwerts und der Mittelspanne jedes Indikators ermittelt werden.Abbildung 3 zeigt die extreme Differenz des Mittelwerts jedes Indikators unter verschiedenen Faktoren, und Rx (x=a, b, c) entspricht der Reihe nach den drei Indikatoren.Aus den Analyseergebnissen kann geschlossen werden, dass durch Ändern der Anzahl der Strömungskanäle die Steuerung der maximalen Temperatur der Kühlplatte verbessert werden kann und durch Ändern der Durchflussrate auch die Steuerung der maximalen Temperaturdifferenz T realisiert werden kann_Unterschied und Druckverlust P_Verlust.

Abbildung 4 zeigt die Schwankung jedes Index mit der Änderung der Faktorebene.Die Abszisse in der Abbildung ist nach Wert sortiert.Wie in der Abbildung dargestellt, nimmt die maximale Temperatur monoton mit zunehmender Kühlmitteldurchflussrate, Anzahl der Läufer und Läuferbreite ab.Die Analyseergebnisse können belegen, dass für den maximalen Temperaturindex die Anzahl der Läufer und die Durchflussrate die Hauptfaktoren sind.Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit führt zu einem schnellen Anstieg des Druckverlusts, und eine Vergrößerung der Breite des Strömungskanals kann diese Situation verbessern.

Es ist erwähnenswert, dass die Temperaturdifferenzdaten jedes Faktors aufgrund des guten Rohrleitungslayouts und der physikalischen Eigenschaften des Kühlmittels weniger als 2 K betragen, was eine gute Gleichmäßigkeit zeigt.Die Druckverlustfaktoren wirken sich gegenseitig auf.Daher sollte im Optimierungsentwurf die Indexreferenzsequenz bei der Auswahl des Niveaus jedes Faktors die höchste Temperatur, der höchste Druckverlust und die maximale Temperaturdifferenz sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in diesem Artikel verwendete optimierte Ebenenkombination V = 0,3 m/s, N = 4, B = 6 mm, H = 5 mm ist und als optimal bezeichnet wird.Abbildung 5 ist ein Datenvergleich der maximalen Temperatur, der maximalen Temperaturdifferenz, des Druckverlusts und anderer Indikatoren, die durch Optimierung und andere 16 Gruppen von Struktursimulationen erhalten wurden.Aufgrund der Wärmeableitungsarbeit der optimierten Struktur liegen sowohl die maximale Temperatur als auch der Temperaturunterschied der Batterieoberfläche innerhalb des geeigneten Arbeitsbereichs der Batterie.Obwohl sich die optimierte Struktur in der Mitte des Druckverlusts befindet, liegt der Wert unter 5 kPa, was immer noch in einem akzeptablen Bereich liegt.Nach dem Indexvergleich kann die optimale Struktur die maximale Temperatur der Batterie in einem angemessenen Bereich halten und der Temperaturgradient ist gering.Gleichzeitig kann es auch die tatsächlichen Anwendungsanforderungen im aktuellen Ingenieurbereich hinsichtlich des Spannungsabfalls erfüllen.Daher ist der Effekt der Optimierung des Designs der flüssigkeitsgekühlten Platte durch die Verwendung der orthogonalen Testdesignmethode ideal.Die aktuelle Einstellung berücksichtigt die Arbeitsleistung nur bei einer Umgebungstemperatur von 300 K und andere extreme Arbeitsbedingungen müssen weiter untersucht werden.

Der Einfluss der Strömungsrichtung auf die Kühlleistung wird durch die Optimierung der Struktur der Kühlplatte untersucht und die praktische Anwendung eines alternativen Anordnungsschemas für die Strömungsrichtung untersucht.

Aus dem Vergleich von 16 alternativen Strömungsrichtungsschemata geht hervor, dass bei konstanter Einlassströmungsrate die Verwendung alternativer Strömungsrichtungsschemata die Gleichmäßigkeit der Batterietemperatur bis zu einem gewissen Grad verbessern kann, die extremen Temperaturänderungen jedoch gering sind.

Die Gründe sind wie folgt

(1) Verbessern Sie die durch die Einlass- und Auslasseinstellungen verursachte Ungleichmäßigkeit der Batterietemperatur, indem Sie die Flussrichtung einiger Rohrleitungen ändern.Bei konstanter Durchflussrate ändert sich die Menge des am Wärmeaustausch beteiligten Kühlmittels pro Zeiteinheit nicht.Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Kühlmittels kann die alternative Lösung die absolute Wärmeableitungskapazität nicht verbessern, sodass die Wirkung bei extremen Temperaturen begrenzt ist.

(2) Die oben optimierte Struktur verbessert die effektive Wärmeableitungsfläche und bietet eine bessere Kühlleistung.Die Verbesserung extremer Temperaturen ist durch die Anwendung des Wechselschemas nicht offensichtlich, die Verbesserung der Temperaturdifferenz ist jedoch relativ offensichtlich.

(3) Obwohl die Struktur der flüssigen Kühlplatte selbst den Temperaturunterschied der Batterie innerhalb des idealen Bereichs bewirken kann, kann der Vergleich dennoch den optimalen Fall finden und die Temperaturgleichmäßigkeit des Ausgangsfalls hat sich um etwa 20 % erhöht.

Anhand der experimentellen Daten und Temperaturbedingungen wurde festgestellt, dass das alternative Schema des Doppelrohr-Gegenstroms die Temperaturgleichmäßigkeit der Batterieoberfläche verbessern kann.In Anbetracht der Tatsache, dass das alternative Anordnungsschema der Klemmkühlplatten der Gruppierung nicht förderlich ist, behält dieses Optimierungsschema die ursprüngliche Flussrichtung bei, anstatt das alternative Schema zu verwenden.Für die Erkundungsexperimente alternativer Schemata wird eine Anleitung zur Optimierung flüssigkeitsgekühlter Platten bereitgestellt.Bei größeren Batterien ist das Schema mit alternativer Flussrichtung ein Schema, das die Gleichmäßigkeit der Zellen verbessern und so bessere Ergebnisse liefern kann Batterie-Wärmemanagement B. für Langstreifenbatterien wie Klingenbatterien, und sorgen für einen sicheren Betrieb der Batterie.

Ausgehend von der weichgepackten Lithium-Ionen-Batterie von Elektrofahrzeugen werden das Design und die Parameteroptimierung der Flüssigkeitskühlplatte durchgeführt und der Einfluss verschiedener Parameter auf die Kühlleistung untersucht.

(1) Entwerfen und erstellen Sie das geometrische Modell der Flüssigkeitskühlplatte.Studieren Sie das Heizprinzip von Lithium-Ionen-Batterien und analysieren Sie den Wärmeübertragungsprozess.Schließen Sie die Vorarbeiten für den ersten Entwurf und die Simulation der Struktur der flüssigen Kühlplatte ab.

(2) Zur Optimierung der Kühlplatte wurde ein orthogonales Versuchsdesign verwendet.Unter Verwendung der maximalen Temperatur, der maximalen Temperaturdifferenz und des Druckverlusts als Bewertungsindikatoren werden die Kühlmitteldurchflussrate (V), die Anzahl der Läufer (N), die Läuferbreite (W), die Läuferhöhe (H) und vier verschiedene Ebenen ausgewählt, um ein Orthogonales zu bilden Tisch.Unter Verwendung der ANSYS Fluent 16.0-Simulation zur umfassenden Analyse des Einflusses jedes Faktors auf den Index wird die optimale Parameterkombination zu V=0,3 m/s, N=4, B=6 mm, H=5 mm bestimmt.Im Vergleich schnitt das optimierte Design hinsichtlich der Wärmeableitungsleistung und des Druckabfalls gut ab, sodass die Batterie eine angemessene Temperatur hatte und der Gradient geeignet war, und das optimierte Design fertiggestellt wurde.Allerdings muss die Arbeitsleistung und Leistung der Kühlplatte bei anderen extremen Umgebungstemperaturen noch weiter erforscht werden.

(3) Basierend auf der optimierten Designstruktur wird das Schema der alternativen Strömungsrichtungsanordnung erforscht und der Einfluss der Strömungsrichtung auf die Wärmeableitungsleistung untersucht.Die Simulationstestanalyse ergab, dass die Anordnung mit alternativer Strömungsrichtung die Temperaturgleichmäßigkeit der Batterie verbessern kann.Diese Lösung kann auf neue Batterietypen angewendet werden, die mehr Wärme erzeugen und in Zukunft eine höhere Temperaturgleichmäßigkeit erfordern.