Конструкция жидкостной охлаждающей пластины для литиевой батареи электромобиля

Дизайн пластина с жидкостным охлаждением для мягких литиевых аккумуляторов электромобилей.Основываясь на определенном направлении внутреннего канала и методе ортогонального проектирования испытаний, программное обеспечение CFD используется для изучения и анализа влияния скорости потока охлаждающей жидкости (V), количества рабочих колес (N), ширины рабочего колеса (W) и высоты рабочего колеса (H). ) на характеристики рассеивания тепла и характеристики падения давления пластины с жидкостным охлаждением.Оптимизированная структура жидкости охлаждающая пластина определяется по результатам экспериментального проектирования и моделирования, и его соответствующие характеристики проверяются.Результаты показывают, что батарея находится в разумном температурном диапазоне и имеет отличный температурный градиент в состоянии рассеивания тепла с оптимизированной структурой, поэтому оптимизация завершена.На основе результатов оптимизации исследуется попеременная организация потока и влияние направления потока на рабочие характеристики жидкости. холодная тарелка анализируется.Сравнение показывает, что использование альтернативной схемы потока может улучшить рабочую температуру батареи, что является ориентиром для конструкции пластины жидкостного охлаждения батареи.

Управление температурой батареи всегда было горячей темой Winshare Thermal, которая делится на воздух, жидкость и материал с фазовым переходом BTM.Air BTM имеет ценовые и конструктивные преимущества.Однако исследования показали, что воздушное охлаждение не только не может эффективно контролировать градиент температуры элементов батареи, но и не может справиться с экстремальными условиями, такими как тепловой разгон батареи.BTM работает за счет скрытой теплоты фазового перехода и в настоящее время ограничивается теоретическими исследованиями, но не используется широко в коммерческих целях.Жидкие BTM получили широкое распространение в последние годы благодаря своим преимуществам, таким как высокий коэффициент теплопередачи, большое рассеивание тепла и компактная структура.Большое количество экспериментов и моделирования показало, что жидкостное охлаждение имеет очевидные преимущества перед воздушным охлаждением.

Пластина жидкостного охлаждения зажимного типа со встроенными микроканалами предназначена для карманных аккумуляторов.Информация об аккумуляторе и схема модуля показаны в таблице 1 и на рисунке 1.

Размер поверхности охлаждающей пластины такой же, как у батареи, толщина 10 мм, материал - алюминиевый сплав.Сохраняйте направление и взаимное расположение центрального основного трубопровода и увеличивайте количество трубопроводов с интервалом 2 мм.Длина каждого параллельного трубопровода одинакова, а центр симметричен, что упрощает последующее исследование направления потока.

Самогенерируемое тепло литиевых батарей включает теплоту внутренней реакции, теплоту внутреннего сопротивления поляризации, теплоту внутреннего сопротивления Ом и теплоту боковой реакции.Выделение тепла целевой батареи в основном представляет собой тепло внутреннего сопротивления Ом, поэтому тепло внутреннего сопротивления Ом приблизительно упрощено как общее тепловыделение.Расчетное рабочее состояние заключается в том, что батарея разряжается со скоростью 2C от 100% SOC при 27°C.

Имитационная модель в основном построена на базе ANSYS Fluent16.0.Граничным условием моделирования является начальная температура окружающей среды 300 K. Входное отверстие хладагента является условием входа расхода, а температура соответствует температуре окружающей среды.Выходное отверстие находится в состоянии выхода давления, а обратное давление равно 0 кПа.За исключением двух сторон, которые представляют тепловыделение батареи, другие поверхности задаются как адиабатические стенки, что означает, что тепловой поток равен 0.

Четыре параметра: скорость потока охлаждающей жидкости (V), количество литников (N), ширина литников (W) и высота литников (H) моделируются в различных комбинациях.Самая высокая температура, самая большая разница температур и потеря давления используются в качестве индикаторов для оценки.Учитывая стоимость и эффективность вычислений, для достижения идеальных результатов используется ортогональный план эксперимента, широко используемый на практике.

Использование 4 факторов в разумных пределах составляет ортогональную таблицу.Согласно таблице, тестирование уровня каждого фактора позволяет изучить влияние каждого фактора на индекс и взаимодействие между факторами и найти оптимальное сочетание.Индекс оценки принимает максимальную температуру, максимальную разницу температур и потерю давления для характеристики рассеивания тепла и гидравлических характеристик.Максимальная температура и максимальная разница температур относятся к максимальной температуре и диапазону поверхности батареи в установившемся режиме.Потеря давления – это разница давлений между входом и выходом охлаждающей плиты в этот момент.

Чтобы самостоятельно изучить влияние количества направляющих на эффективность охлаждения, изменение количества направляющих не влияет на расход охлаждающей жидкости при сохранении трех других факторов.В отличие от обычных исследований ширины полоза, фактическая ширина полозья выражается следующей формулой.

Как показано в Таблице 2, предыдущие данные в столбце ширины полозьев представляют собой различные уровни коэффициента полозьев, а данные в квадратных скобках представляют собой фактическую ширину полозьев.

4 набора результатов моделирования на рисунке 2 показывают, что стандартное отклонение флуктуаций максимальной температуры, средней температуры и потери давления составляет менее 2%.Для получения более точных результатов и распределения температуры поверхности для моделирования выбрана ферма с 251193 элементами.

Из таблицы 2 видно, что необходимо смоделировать и сравнить 16 групп охлаждающих плит.Сравнивая данные максимальной температуры, максимальной разности температур и потери давления, установлено, что конструкция № 16 позволяет сделать максимальную температуру батареи самой низкой, № 14 обеспечивает наименьшую разницу температур, а № 3 жидкостная холодная. пластина имеет наименьшую потерю давления.

Кроме того, степень влияния имеющихся факторов на соответствующие показатели можно получить путем анализа среднего значения и среднего диапазона каждого показателя.На рис. 3 показана крайняя разница среднего значения каждого показателя при разных факторах, а Rx (x=a, b, c) соответствует трем показателям по очереди.Из результатов анализа можно сделать вывод, что изменение количества каналов потока может улучшить контроль максимальной температуры охлаждающей пластины, а изменение скорости потока также может реализовать контроль максимальной разности температур Т._{разница} и потеря давления P_потеря.

На рис. 4 показано колебание каждого индекса при изменении уровня фактора.По оси абсцисс на рисунке отсортированы значения.Как показано на рисунке, максимальная температура монотонно снижается с увеличением расхода теплоносителя, количества и ширины бегунков.Результаты анализа могут доказать, что для индекса максимальной температуры основными факторами являются количество бегунов и скорость потока.Увеличение скорости потока вызовет быстрое увеличение потери давления, и увеличение ширины канала потока может улучшить эту ситуацию.

Стоит отметить, что, исходя из хорошей схемы расположения трубопроводов и физических свойств теплоносителя, данные о разности температур каждого фактора составляют менее 2К, что свидетельствует о хорошей однородности.Факторы потери давления имеют взаимно компенсирующее действие.Таким образом, в оптимизационном дизайне эталонной последовательностью индексов при выборе уровня каждого фактора должны быть самая высокая температура, потеря давления и максимальная разница температур.

Подводя итог, оптимальная комбинация уровней, принятая в этой статье, составляет V=0,3 м/с, N=4, W=6 мм, H=5 мм и названа оптимальной.Рисунок 5 представляет собой сравнение данных максимальной температуры, максимального перепада температур, потери давления и других показателей, полученных в результате оптимизации и других 16 групп структурного моделирования.При работе по рассеиванию тепла оптимизированной конструкции максимальная температура и разница температур поверхности батареи находятся в пределах подходящего рабочего диапазона батареи.Хотя оптимизированная конструкция находится в середине потери давления, значение составляет менее 5 кПа, что все еще находится в разумном диапазоне.После сравнения показателей оптимальная структура может поддерживать максимальную температуру батареи в разумных пределах, а температурный градиент невелик.В то же время он также может соответствовать фактическим требованиям приложений в современной инженерной области с точки зрения падения напряжения.Следовательно, эффект оптимизации конструкции пластины с жидкостным охлаждением с использованием метода проектирования ортогональных испытаний является идеальным.Текущая настройка учитывает рабочие характеристики только при температуре окружающей среды 300K, а другие экстремальные условия работы требуют дальнейшего изучения.

Изучается влияние направления потока на эффективность охлаждения путем оптимизации конструкции охлаждающей пластины, а также изучается практическое применение схемы компоновки с переменным направлением потока.

Из сравнения 16 схем с альтернативным направлением потока было обнаружено, что, когда скорость потока на входе постоянна, использование схем с альтернативным направлением потока может в определенной степени улучшить однородность температуры батареи, но экстремальные изменения температуры невелики.

Причины следующие

(1) Устранить неравномерность температуры батареи, вызванную настройками на входе и выходе, путем изменения направления потока в некоторых трубопроводах.При постоянном расходе количество теплоносителя, участвующего в теплообмене в единицу времени, не меняется.Из-за физических свойств хладагента альтернативное решение не может улучшить абсолютную способность рассеивания тепла, поэтому влияние на экстремальные температуры ограничено.

(2) Вышеупомянутая оптимизированная структура улучшает эффективную площадь рассеивания тепла и обеспечивает лучшую эффективность охлаждения.Улучшение экстремальной температуры не является очевидным при использовании чередующейся схемы, но улучшение разницы температур относительно очевидно.

(3) Хотя сама структура охлаждающей пластины с жидкостью может обеспечить разницу температур батареи в идеальном диапазоне, сравнение все же может найти оптимальный случай, а однородность температуры исходного случая увеличилась примерно на 20%.

По экспериментальным данным и температурному режиму установлено, что альтернативная схема двухтрубного противотока позволяет улучшить температурную однородность поверхности батареи.Учитывая, что альтернативная схема расположения зажимных холодных пластин не способствует группированию, эта схема оптимизации сохраняет исходное направление потока вместо использования альтернативной схемы.Для поисковых экспериментов альтернативных схем предусмотрено направление по оптимизации пластин с жидкостным охлаждением.Для больших батарей схема с переменным направлением потока — это схема, которая может улучшить однородность элементов, что может обеспечить лучшее управление температурой батареи для батарей с длинной полосой, таких как батареи с лезвиями, и обеспечить безопасную работу батареи.

Взяв за объект литий-ионный аккумулятор электромобилей с мягкой набивкой, проведена конструкция и оптимизация параметров пластины жидкостного охлаждения, а также изучено влияние различных параметров на эффективность охлаждения.

(1) Разработайте и создайте геометрическую модель жидкостной охлаждающей пластины.Изучите принцип нагрева литий-ионных аккумуляторов и проанализируйте процесс теплопередачи.Завершите предварительную работу по проектированию и моделированию начальной конструкции жидкостной охлаждающей пластины.

(2) Для оптимизации охлаждающей пластины использовался ортогональный экспериментальный план.Принимая максимальную температуру, максимальную разность температур и потерю давления в качестве оценочных показателей, скорость потока охлаждающей жидкости (V), количество литников (N), ширину литников (W), высоту литников (H) и четыре различных уровня выбирают для формирования ортогональной стол.Используя моделирование ANSYS Fluent 16.0 для всестороннего анализа влияния каждого фактора на показатель, была определена оптимальная комбинация параметров: V = 0,3 м/с, N = 4, W = 6 мм, H = 5 мм.При сравнении оптимизированная конструкция показала хорошие результаты с точки зрения рассеивания тепла и перепада давления, так что температура батареи была приемлемой, а градиент был подходящим, и оптимизированная конструкция была завершена.Тем не менее, рабочие характеристики и производительность охлаждающей пластины при других экстремальных температурах окружающей среды все еще нуждаются в дальнейшем изучении.

(3) На основе оптимизированной конструктивной структуры проводятся исследования схемы компоновки с переменным направлением потока и изучается влияние направления потока на характеристики рассеивания тепла.Анализ имитационных испытаний показал, что расположение с переменным направлением потока может улучшить однородность температуры батареи.Это решение может быть применено к новым типам батарей, которые выделяют больше тепла и в будущем потребуют более высокой однородности температуры.