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Anzahl Durchsuchen:0 Autor:Site Editor veröffentlichen Zeit: 2022-12-02 Herkunft:Powered
Entwurf a Flüssigkeitsgekühlte Platte für Softpack-Lithiumbatterien von Elektrofahrzeugen.Basierend auf der bestimmten 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 durch die Ergebnisse des experimentellen Entwurfs und der Simulationsrechnung bestimmt, und die zugehörige Leistung wird getestet.Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Batterie in einem angemessenen Temperaturbereich befindet und einen hervorragenden Temperaturgradienten unter dem Wärmeableitungszustand mit einer optimierten Struktur aufweist, sodass die Optimierung abgeschlossen ist.Anhand der Optimierungsergebnisse wird die Anordnung der wechselnden Strömungsrichtungen und der Einfluss der Strömungsrichtung auf das Arbeitsverhalten der Flüssigkeit untersucht kalte Platte wird analysiert.Der Vergleich zeigt, dass die Verwendung eines alternativen Flussschemas dazu führen kann, dass die Batterie eine bessere Arbeitstemperaturumgebung aufweist, 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 hat Kosten- und Strukturvorteile.Studien haben jedoch ergeben, dass Luftkühlung nicht nur den Temperaturgradienten von Batteriezellen nicht effektiv kontrollieren kann, sondern auch extreme Bedingungen wie das thermische Durchgehen der Batterie nicht bewältigen kann.BTM arbeitet durch die latente Wärme des Phasenwechsels und ist derzeit auf theoretische Forschung beschränkt, wird jedoch nicht weit verbreitet kommerziell eingesetzt.Flüssige BTM wurden in den letzten Jahren aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Wärmeübertragungskoeffizient, große Wärmeableitung und kompakte Struktur weit verbreitet.Eine große Anzahl von Experimenten und Simulationen hat gezeigt, dass die Flüssigkeitskühlung offensichtliche Vorteile gegenüber der Luftkühlung hat.
Eine Flüssigkeitskühlplatte vom Klemmtyp mit eingebauten Mikrokanälen ist für Pouch-Batterien konzipiert.Die Batterieinformationen und das Modullayout sind in Tabelle 1 und Abbildung 1 dargestellt.
Die Oberflächengröße der Kühlplatte ist die gleiche wie die der Batterie, die Dicke beträgt 10 mm und das Material ist eine Aluminiumlegierung.Behalten Sie die Richtung und relative Position der zentralen Grundleitung bei und erhöhen Sie die Anzahl der Leitungen in Abständen von 2 mm.Die Längen jeder parallelen Pipeline sind gleich und die Mitte ist symmetrisch, was vorteilhaft ist, um die anschließende Forschungsarbeit zur Strömungsrichtung zu vereinfachen.
Die selbsterzeugte Wärme von Lithiumbatterien umfasst interne Reaktionswärme, Polarisations-Innenwiderstandswärme, Ohmsche Innenwiderstandswärme und Nebenreaktionswärme.Die Wärmeerzeugung der Zielbatterie ist hauptsächlich die Wärme des ohmschen Innenwiderstands, so dass die Wärme des ohmschen Innenwiderstands näherungsweise als die Gesamtwärmeerzeugung vereinfacht wird.Die vorgesehene Arbeitsbedingung ist, dass die Batterie mit einer Rate von 2 C von 100 % SOC bei 27 °C entladen wird.
Das Simulationsmodell ist hauptsächlich auf Basis von ANSYS Fluent16.0 aufgebaut.Die Randbedingung der Simulation ist eine anfängliche Umgebungstemperatur von 300 K. Die Einlassöffnung des Kühlmittels ist die Strömungsraten-Einlassbedingung, und die Temperatur stimmt mit der Umgebungstemperatur überein.Die Auslassöffnung 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 ist.
Die vier Parameter Kühlmitteldurchfluss (V), Anzahl der Kanäle (N), Kanalbreite (W) und Kanalhöhe (H) werden in unterschiedlichen Kombinationen simuliert.Als Indikatoren für die Bewertung 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 Versuchsdesign gewählt, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Die Verwendung von 4 Faktoren innerhalb eines vernünftigen Bereichs bildet eine orthogonale Tabelle.Testen Sie gemäß der Tabelle das Niveau jedes Faktors, um den Einfluss jedes Faktors auf den Index und die Wechselwirkung zwischen Faktoren zu untersuchen und die optimale Kombination zu finden.Der Bewertungsindex nimmt die maximale Temperatur, die maximale Temperaturdifferenz und den Druckverlust an, um die Wärmeableitung und die hydraulische Leistung zu charakterisieren.Die maximale Temperatur und maximale Temperaturdifferenz beziehen sich auf die maximale Temperatur und Reichweite der Batterieoberfläche im stationären Zustand.Der Druckverlust ist die Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgang der Kühlplatte in diesem Moment.
Um den Einfluss der Anzahl der Läufer auf die Kühlleistung unabhängig zu untersuchen, beeinflusst eine Änderung der Anzahl der Läufer den Kühlmittelfluss nicht, während die anderen drei Faktoren beibehalten werden.Anders als bei üblichen Studien zur Breite der Kufe wird die tatsächliche Breite der Kufe durch die folgende Formel ausgedrückt.
Wie in Tabelle 2 gezeigt, sind in der Spalte für die Kufenbreite die vorherigen Daten die unterschiedlichen Niveaus des Kufenfaktors, und die Daten in den hinteren Klammern sind die tatsächliche Kufenbreite.
Die 4 Sätze von Simulationsergebnissen in Abbildung 2 zeigen, dass die Schwankungen der Standardabweichung von Maximaltemperatur, Durchschnittstemperatur und Druckverlust weniger als 2 % betragen.Um genauere Ergebnisse und Oberflächentemperaturverteilungen 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 der maximalen Temperatur, des maximalen Temperaturunterschieds und des Druckverlusts 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 flüssig kalt Platte hat den geringsten Druckverlust.
Darüber hinaus kann der Einflussgrad der verfügbaren Faktoren auf die entsprechenden Indikatoren durch die Analyse des Mittelwerts und der mittleren Spannweite jedes Indikators ermittelt werden.Abbildung 3 zeigt die extreme Differenz des Mittelwerts jedes Indikators unter verschiedenen Faktoren, und Rx (x = a, b, c) entspricht wiederum den drei Indikatoren.Aus den Analyseergebnissen kann geschlossen werden, dass eine Änderung der Anzahl von Strömungskanälen die Steuerung der maximalen Temperatur der Kühlplatte verbessern kann und eine Änderung der Durchflussrate auch die Steuerung der maximalen Temperaturdifferenz T realisieren kannUnterschied und Druckverlust PVerlust.
Abbildung 4 zeigt die Fluktuation jedes Index mit der Änderung des Faktorniveaus.Die Abszisse in der Figur ist nach Wert sortiert.Wie in der Figur gezeigt, nimmt die maximale Temperatur monoton mit der Zunahme der Kühlmittelströmungsrate, der Anzahl der Kanäle und der Kanalbreite ab.Die Analyseergebnisse können belegen, dass für den maximalen Temperaturindex die Anzahl der Läufer und die Durchflussmenge die Hauptfaktoren sind.Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bewirkt eine rasche Erhöhung des Druckverlusts, und eine Vergrößerung der Breite des Strömungskanals kann diese Situation verbessern.
Es ist erwähnenswert, dass basierend auf dem guten Rohrleitungslayoutschema und den physikalischen Eigenschaften des Kühlmittels die Temperaturdifferenzdaten jedes Faktors weniger als 2 K betragen, was eine gute Gleichmäßigkeit zeigt.Die Druckverlustfaktoren wirken sich gegenseitig auf.Daher sollte im Optimierungsdesign die Index-Referenzsequenz bei der Auswahl des Niveaus jedes Faktors die höchste Temperatur, der höchste Druckverlust und die maximale Temperaturdifferenz sein.
Zusammenfassend ist die in dieser Arbeit angenommene optimierte Niveaukombination V = 0,3 m/s, N = 4, B = 6 mm, H = 5 mm und wird als optimal bezeichnet.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.Unter der Wärmeableitungsarbeit der optimierten Struktur liegen sowohl die maximale Temperatur als auch die Temperaturdifferenz der Batterieoberfläche innerhalb des geeigneten Arbeitsbereichs der Batterie.Obwohl der optimierte Aufbau im Mittelfeld des Druckverlustes liegt, liegt der Wert mit weniger als 5 kPa noch im vertretbaren Bereich.Nach dem Indexvergleich kann die optimale Struktur die maximale Temperatur der Batterie in einem vernünftigen Bereich halten und der Temperaturgradient ist klein.Gleichzeitig kann es auch die tatsächlichen Anwendungsanforderungen im Bereich der Stromtechnik in Bezug auf den Spannungsabfall erfüllen.Daher ist der Effekt der Optimierung des Entwurfs der flüssigkeitsgekühlten Platte durch Verwendung des orthogonalen Testentwurfsverfahrens ideal.Die aktuelle Einstellung berücksichtigt nur die Arbeitsleistung bei einer Umgebungstemperatur von 300 K, und andere extreme Arbeitsbedingungen müssen weiter untersucht werden.
Der Einfluss der Strömungsrichtung auf die Kühlleistung wird untersucht, indem die Struktur der Kühlplatte optimiert wird, und die praktische Anwendung des Anordnungsschemas mit alternativer Strömungsrichtung wird untersucht.
Aus dem Vergleich von 16 alternativen Strömungsrichtungsschemata ergibt sich, dass bei konstanter Einlassströmungsrate die Verwendung alternativer Strömungsrichtungsschemata die Gleichmäßigkeit der Batterietemperatur bis zu einem gewissen Grad verbessern kann, aber die extremen Temperaturänderungen gering sind.
Die Gründe sind wie folgt
(1) Verbessern Sie die Ungleichmäßigkeit der Batterietemperatur, die durch die Einlass- und Auslasseinstellungen verursacht wird, indem Sie die Durchflussrichtung einiger Rohrleitungen ändern.Bei konstantem Volumenstrom ändert sich die am Wärmeaustausch beteiligte Kühlmittelmenge pro Zeiteinheit nicht.Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Kühlmittels kann die alternative Lösung die absolute Wärmeableitungsleistung nicht verbessern, sodass die Wirkung bei extremen Temperaturen begrenzt ist.
(2) Die obige optimierte Struktur verbessert die effektive Wärmeableitungsfläche und hat eine bessere Kühlleistung.Die Verbesserung der extremen Temperatur ist durch Anwenden des alternierenden Schemas nicht offensichtlich, aber die Verbesserung der Temperaturdifferenz ist relativ offensichtlich.
(3) Obwohl die Struktur der Flüssigkeitskühlplatte selbst die Temperaturdifferenz der Batterie innerhalb des idealen Bereichs machen kann, kann der Vergleich immer noch den optimalen Fall finden, und die Temperaturgleichmäßigkeit des anfänglichen Falls hat sich um etwa 20 % erhöht.
Durch die experimentellen Daten und Temperaturbedingungen wurde festgestellt, dass das alternative Schema des Doppelrohr-Gegenstroms die Temperaturgleichförmigkeit der Batterieoberfläche verbessern kann.In Anbetracht der Tatsache, dass das alternative Anordnungsschema zum Klemmen von Kühlplatten einer Gruppierung nicht förderlich ist, behält dieses Optimierungsschema die ursprüngliche Strömungsrichtung bei, anstatt das alternative Schema zu verwenden.Für die Erkundungsexperimente alternativer Schemata wird eine Anleitung zur Optimierung von flüssigkeitsgekühlten Platten bereitgestellt.Für größere Batterien ist das Schema mit alternativer Strömungsrichtung ein Schema, das die Gleichmäßigkeit der Zellen verbessern kann, was eine bessere Bereitstellung ermöglicht Batterie-Thermomanagement B. für Langstreifenbatterien wie Messerbatterien, und sorgen für einen sicheren Betrieb der Batterie.
Am Objekt der weichgepackten Lithium-Ionen-Batterie von Elektrofahrzeugen werden die Auslegung und Parameteroptimierung der Flüssigkeitskühlplatte durchgeführt und der Einfluss verschiedener Parameter auf die Kühlleistung untersucht.
(1) Entwerfen und erstellen Sie das geometrische Modell der Flüssigkeitskühlplatte.Untersuchen Sie das Heizprinzip von Lithium-Ionen-Batterien und analysieren Sie den Wärmeübertragungsprozess.Vervollständigen Sie die Vorarbeiten für das anfängliche Design und die Simulation der Struktur der flüssigen Kühlplatte.
(2) Es wurde ein orthogonales experimentelles Design verwendet, um die Kühlplatte zu optimieren.Ausgehend von der maximalen Temperatur, der maximalen Temperaturdifferenz und dem Druckverlust als Bewertungsindikatoren werden der Kühlmitteldurchfluss (V), die Anzahl der Kanäle (N), die Kanalbreite (W), die Kanalhöhe (H) und vier verschiedene Ebenen ausgewählt, um eine Orthogonale 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 mit V = 0,3 m/s, N = 4, W = 6 mm, H = 5 mm bestimmt.Im Vergleich dazu schnitt das optimierte Design in Bezug auf die Wärmeableitungsleistung und den Druckabfall gut ab, so dass die Batterie eine angemessene Temperatur hatte und der Gradient geeignet war, und das optimierte Design wurde fertiggestellt.Die Arbeitsleistung und Leistung der Kühlplatte bei anderen extremen Umgebungstemperaturen muss jedoch noch weiter erforscht werden.
(3) Basierend auf der optimierten Konstruktionsstruktur werden Untersuchungen zum Anordnungsschema für alternative Strömungsrichtungen durchgeführt und der Einfluss der Strömungsrichtung auf die Wärmeableitungsleistung untersucht.Die Simulationstestanalyse ergab, dass die Anordnung mit abwechselnder 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.
