Un diseño de placa fría líquida para batería de litio de vehículos eléctricos

Diseña un placa refrigerada por líquido para baterías de litio de paquete blando de vehículos eléctricos.En función de la dirección del canal interno determinada y el método de diseño de prueba ortogonal, el software CFD se utiliza para estudiar y analizar los efectos del caudal de refrigerante (V), el número de canales (N), el ancho del canal (W) y la altura del canal (H). ) sobre el rendimiento de disipación de calor y el rendimiento de caída de presión de la placa refrigerada por líquido.La estructura optimizada del líquido. placa de enfriamiento se determina a través de los resultados del diseño experimental y el cálculo de simulación, y se prueba su rendimiento relacionado.Los resultados muestran que la batería se encuentra en un rango de temperatura razonable y tiene un gradiente de temperatura excelente en el estado de disipación de calor con una estructura optimizada, por lo que la optimización está completa.Sobre la base de los resultados de optimización, se estudia la disposición de dirección de flujo alternativa y la influencia de la dirección de flujo en el rendimiento de trabajo del líquido. plato frio es analizado.La comparación muestra que el uso de un esquema de flujo alternativo puede hacer que la batería tenga un mejor ambiente de temperatura de trabajo, lo que proporciona una referencia para el diseño de la placa de refrigeración líquida de la batería.

La gestión térmica de la batería siempre ha sido un tema candente de Winshare Thermal, que se divide en aire, líquido y material de cambio de fase BTM.Air BTM tiene ventajas económicas y estructurales.Sin embargo, los estudios han encontrado que el enfriamiento por aire no solo no puede controlar de manera efectiva el gradiente de temperatura de las celdas de la batería, sino que tampoco puede hacer frente a condiciones extremas como el desbordamiento térmico de la batería.BTM funciona a través del calor latente del cambio de fase y actualmente se limita a la investigación teórica, pero no se usa ampliamente comercialmente.Liquid BTM se ha adoptado ampliamente en los últimos años debido a sus ventajas, como el alto coeficiente de transferencia de calor, la gran disipación de calor y la estructura compacta.Una gran cantidad de experimentos y simulaciones han encontrado que el enfriamiento por líquido tiene ventajas obvias sobre el enfriamiento por aire.

Una placa de refrigeración líquida tipo abrazadera con microcanales incorporados está diseñada para baterías de bolsa.La información de la batería y el diseño del módulo se muestran en la Tabla 1 y la Figura 1.

El tamaño de la superficie de la placa fría es el mismo que el de la batería, el grosor es de 10 mm y el material es aleación de aluminio.Mantenga la dirección y la posición relativa de la tubería básica central y aumente el número de tuberías a intervalos de 2 mm.Las longitudes de cada tubería paralela son las mismas y el centro es simétrico, lo que es beneficioso para simplificar el trabajo de investigación de la dirección del flujo de seguimiento.

El calor autogenerado de las baterías de litio incluye calor de reacción interna, calor de resistencia interna de polarización, calor de resistencia interna de ohmios y calor de reacción lateral.La generación de calor de la batería objetivo es principalmente calor de resistencia interna en ohmios, por lo que el calor de resistencia interna en ohmios se simplifica aproximadamente como la generación de calor total.La condición de trabajo de diseño es que la batería se descarga a una tasa de 2C desde el 100% SOC a 27°C.

El modelo de simulación se construye principalmente en base a ANSYS Fluent16.0.La condición límite de la simulación es una temperatura ambiente inicial de 300 K. El puerto de entrada del refrigerante es la condición de entrada de caudal y la temperatura es consistente con la temperatura ambiente.El puerto de salida está bajo la condición de salida de presión y la presión de retorno es de 0 kPa.Excepto por los dos lados que representan la generación de calor de la batería, las otras superficies se configuran como paredes adiabáticas, lo que significa que el flujo de calor es 0.

Los cuatro parámetros de tasa de flujo de refrigerante (V), número de corredores (N), ancho de corredor (W) y altura de corredor (H) se simulan en diferentes combinaciones.La temperatura más alta, la diferencia de temperatura más grande y la pérdida de presión se utilizan como indicadores para la evaluación.Teniendo en cuenta el costo y la eficiencia computacional, se adopta un diseño de experimento ortogonal ampliamente utilizado en la práctica para lograr resultados ideales.

El uso de 4 factores dentro de un rango razonable constituye una tabla ortogonal.De acuerdo con la tabla, prueba el nivel de cada factor para examinar la influencia de cada factor en el índice y la interacción entre los factores, y encontrar la combinación óptima.El índice de evaluación adopta la temperatura máxima, la diferencia de temperatura máxima y la pérdida de presión para caracterizar la disipación de calor y el rendimiento hidráulico.La temperatura máxima y la diferencia de temperatura máxima se refieren a la temperatura máxima y el rango de la superficie de la batería en estado estable.La pérdida de presión es la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la placa fría en ese momento.

Para estudiar de forma independiente la influencia del número de corredores en el rendimiento de enfriamiento, cambiar el número de corredores no afecta el flujo de refrigerante mientras se mantienen los otros tres factores.A diferencia de los estudios comunes de ancho de canal, el ancho real del canal se expresa mediante la siguiente fórmula.

Como se muestra en la Tabla 2, en la columna de ancho de corredor, los datos anteriores son los diferentes niveles del factor de corredor, y los datos entre paréntesis posteriores son el ancho real del corredor.

Los 4 conjuntos de resultados de la simulación en la Figura 2 muestran que las fluctuaciones de la desviación estándar de la temperatura máxima, la temperatura promedio y la pérdida de presión son inferiores al 2 %.Con el fin de obtener resultados más precisos y una distribución de la temperatura de la superficie, se selecciona la malla con 251193 elementos para la simulación.

Se puede saber de la Tabla 2 que se necesita simular y comparar 16 grupos de placas frías.Al comparar los datos de temperatura máxima, diferencia de temperatura máxima y pérdida de presión, se encuentra que el diseño del No. 16 puede hacer que la temperatura máxima de la batería sea la más baja, el No. 14 logra la diferencia de temperatura más pequeña y el No. 3 líquido frío placa tiene la menor pérdida de presión.

Además, el grado de influencia de los factores disponibles sobre los indicadores correspondientes se puede obtener analizando el valor medio y el rango medio de cada indicador.La Figura 3 muestra la diferencia extrema del valor medio de cada indicador bajo diferentes factores, y Rx (x=a, b, c) corresponde a los tres indicadores a su vez.A partir de los resultados del análisis, se puede concluir que cambiar el número de canales de flujo puede mejorar el control de la temperatura máxima de la placa fría, y cambiar el caudal también puede realizar el control de la diferencia de temperatura máxima T_diferencia y pérdida de presión P_pérdida.

La Figura 4 muestra la fluctuación de cada índice con el cambio de nivel de factor.La abscisa de la figura está ordenada por orden de valor.Como se muestra en la figura, la temperatura máxima disminuye monótonamente con el aumento del caudal de refrigerante, el número de corredores y el ancho del corredor.Los resultados del análisis pueden demostrar que para el índice de temperatura máxima, el número de corredores y el caudal son los factores principales.El aumento del caudal provocará un rápido aumento de la pérdida de presión, y el aumento de la anchura del canal de flujo puede mejorar esta situación.

Vale la pena mencionar que, según el buen esquema de diseño de tuberías y las propiedades físicas del refrigerante, los datos de diferencia de temperatura de cada factor son inferiores a 2K, lo que muestra una buena uniformidad.Los factores de pérdida de presión tienen un efecto de compensación mutua.Por lo tanto, en el diseño de optimización, la secuencia de referencia del índice al seleccionar el nivel de cada factor debe ser la temperatura más alta, la pérdida de presión y la diferencia de temperatura máxima.

En resumen, la combinación de niveles optimizados adoptada en este documento es V=0,3 m/s, N=4, W=6 mm, H=5 mm y se denomina óptima.La Figura 5 es una comparación de datos de temperatura máxima, diferencia de temperatura máxima, pérdida de presión y otros indicadores obtenidos por optimización y otros 16 grupos de simulaciones estructurales.Bajo el trabajo de disipación de calor de la estructura optimizada, la temperatura máxima y la diferencia de temperatura de la superficie de la batería se encuentran dentro del rango de funcionamiento adecuado de la batería.Aunque la estructura optimizada se encuentra en el medio de la pérdida de presión, el valor es inferior a 5 kPa, que aún se encuentra en un rango razonable.Después de la comparación de índices, la estructura óptima puede mantener la temperatura máxima de la batería dentro de un rango razonable y el gradiente de temperatura es pequeño.Al mismo tiempo, también puede cumplir con los requisitos de aplicación reales en el campo de la ingeniería actual en términos de caída de voltaje.Por lo tanto, el efecto de optimizar el diseño de la placa enfriada por líquido usando el método de diseño de prueba ortogonal es ideal.La configuración actual solo considera el rendimiento de trabajo cuando la temperatura ambiente es de 300 K, y es necesario explorar más a fondo otras condiciones de trabajo extremas.

Se estudia la influencia de la dirección del flujo en el rendimiento del enfriamiento mediante la optimización de la estructura de la placa fría, y se explora la aplicación práctica del esquema de disposición de la dirección del flujo alternativo.

A partir de la comparación de 16 esquemas de dirección de flujo alternativos, se encuentra que cuando la tasa de flujo de entrada es constante, el uso de esquemas de dirección de flujo alternativos puede mejorar la uniformidad de la temperatura de la batería hasta cierto punto, pero los cambios extremos de temperatura son pequeños.

Las razones son las siguientes

(1) Mejore la falta de uniformidad de la temperatura de la batería causada por los ajustes de entrada y salida cambiando la dirección del flujo de algunas tuberías.Cuando el caudal es constante, la cantidad de refrigerante que participa en el intercambio de calor por unidad de tiempo no cambia.Debido a las propiedades físicas del refrigerante, la solución alternativa no puede mejorar la capacidad de disipación de calor absoluto, por lo que el efecto sobre temperaturas extremas es limitado.

(2) La estructura optimizada anterior mejora el área efectiva de disipación de calor y tiene un mejor rendimiento de enfriamiento.La mejora de la temperatura extrema no es obvia al adoptar el esquema de alternancia, pero la mejora de la diferencia de temperatura es relativamente obvia.

(3) Aunque la estructura de la placa fría líquida en sí misma puede hacer que la diferencia de temperatura de la batería esté dentro del rango ideal, la comparación aún puede encontrar el caso óptimo, y la uniformidad de temperatura del caso inicial ha aumentado en aproximadamente un 20%.

A través de los datos experimentales y las condiciones de temperatura, se encuentra que el esquema alternativo de contraflujo de doble tubo puede mejorar la uniformidad de la temperatura de la superficie de la batería.Teniendo en cuenta que el esquema de disposición alternativo de placas frías de sujeción no favorece la agrupación, este esquema de optimización mantiene la dirección de flujo original en lugar de utilizar el esquema alternativo.Para los experimentos exploratorios de esquemas alternativos, se proporciona una dirección para la optimización de placas refrigeradas por líquido.Para baterías más grandes, el esquema de dirección de flujo alternativo es un esquema que puede mejorar la uniformidad de las celdas, lo que puede proporcionar una mejor gestión térmica de la batería para baterías de tira larga, como las baterías de hoja, y garantiza un funcionamiento seguro de la batería.

Tomando como objeto la batería de iones de litio de paquete blando de vehículos eléctricos, se lleva a cabo el diseño y la optimización de parámetros de la placa de refrigeración líquida, y se estudia la influencia de diferentes parámetros en el rendimiento de refrigeración.

(1) Diseñar y establecer el modelo geométrico de la placa fría líquida.Estudie el principio de calentamiento de las baterías de iones de litio y analice el proceso de transferencia de calor.Complete el trabajo preliminar del diseño y la simulación de la estructura de la placa fría líquida inicial.

(2) Se utilizó un diseño experimental ortogonal para optimizar la placa fría.Tomando la temperatura máxima, la diferencia de temperatura máxima y la pérdida de presión como indicadores de evaluación, se seleccionan el caudal de refrigerante (V), el número de canales (N), el ancho del canal (W), la altura del canal (H) y cuatro niveles diferentes para formar un ortogonal. mesa.Utilizando la simulación ANSYS Fluent 16.0 para analizar exhaustivamente la influencia de cada factor en el índice, se determina que la combinación óptima de parámetros es V=0,3 m/s, N=4, W=6 mm, H=5 mm.A través de la comparación, el diseño optimizado funcionó bien en términos de rendimiento de disipación de calor y caída de presión, de modo que la batería estaba a una temperatura razonable y el gradiente era adecuado, y se completó el diseño optimizado.Sin embargo, el rendimiento de trabajo y el rendimiento de la placa fría a otras temperaturas ambientales extremas aún deben explorarse más a fondo.

(3) Sobre la base de la estructura de diseño optimizada, se lleva a cabo una investigación sobre el esquema de disposición de dirección de flujo alternativo y se explora la influencia de la dirección de flujo en el rendimiento de disipación de calor.El análisis de la prueba de simulación encontró que la disposición de dirección de flujo alternativa puede mejorar la uniformidad de la temperatura de la batería.Esta solución se puede aplicar a nuevos tipos de baterías que generan más calor y requieren una mayor uniformidad de temperatura en el futuro.