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动力电池散热受到哪些制约？（下）

2018-04-08 16:47:15·  来源：起点锂电网  
　
如前所述，本研究中的流动是湍流，因此它是用雷诺平均纳维 - 斯托克斯方程（RANS）建模的。在本文中，CFD研究的目标是获得可用于实验测量数据验证的结果。此外，由于实验技术仅获得了点状数据，因此CFD技术提供了整个现场和全面的数据以补充实验数据。
3 数值模拟
如前所述，本研究中的流动是湍流，因此它是用雷诺平均纳维 - 斯托克斯方程（RANS）建模的。在本文中，CFD研究的目标是获得可用于实验测量数据验证的结果。此外，由于实验技术仅获得了点状数据，因此CFD技术提供了整个现场和全面的数据以补充实验数据。由于温度场也很受关注，所以能量方程也得到了解决。控制方程是：
动力电池 动力电池散热 fluent热失控
其中是梯度算子，V是平均速度（m/s），V是速度（m/s），P是压力（Pa），λ是雷诺应力，Pr是普朗特数，Prt 是湍流的普朗特数。
由于问题中的流动被假定为湍流，因此需要适当的湍流模型。在这项研究中的标准K- ε湍流模型用于赋予模型鲁棒性，较大范围内的合理精度，成熟的传热和流体分析。ANSYS Fluent中湍流动能和涡流粘度的公式如下[51]：
其中C1，C2，C3是模型常数，σk和εk  是k和ε的湍流普朗特数。Gk 代表由平均速度梯度引起的涡流动能，Gb 是由于浮力而产生湍流动能。Y M表示 可压缩湍流的波动扩张对整体耗散率的贡献。S k和S e 是用户定义的源项。通过如下组合k和e来计算湍流（或涡流）粘度：
其中 Cμ是一个常数。如前所述，本研究使用商用CFD软件ANSYS Fluent。从初始条件开始，解决方案收敛到稳定状态。
图3（a和b）在NX 8.5中建模，带有顶部和底部冷板以及锂离子电池的完整几何结构 。在CFD模拟中，术语“壁”是指流动不能穿透的任何固体表面，因此包括测试电池的壁，流道的表面。下面的参数被选择用于模型开发：
（1）粘性的模型：Re= 8.7 X 10^3；
（2）壁距离为1.1 X 10^(-4)；
（3） C1 = 1.44，C2 = 1.92；
（4）元素数量：约2000万：二阶，
（5）TKE 普朗特数= 1；
（6）TDR 普朗特 数=1.3；
（7）能量普朗特数= 0.85，
（8）壁面普朗特数= 0.85，
（9）湍流规格法：湍流强度5％；湍流粘度比10；
（10）求解器：类型：基于压力，时间：稳态，速度公式：绝对速
（11）残差收敛变量：X速度，Y速度，Z速度，能量，k-epsilon，连续性方程；
（12）壁处理：(y+ = 5)；
（13）有限单元数量：大约2千万；
（14）网格化方法：非结构化四面体与柱状壁层；
（15）收敛准则：0.000001残差；
（16）一阶还是二阶处理：二阶处理；
（17）流动类型：湍流；
（18）柱状网格参数：增长规律：指数，初始高度：0.1，高度比：1.1，层数：3，总高度：0.331，最小柱状质量：0.009，邻接权重：0.50，圆角比：0.1；
（19）全局网格大小：全局元素比例因子：1，全局元素种子大小：1，基于曲率/接近度的细化最小大小限制：1。
最后，假设：（1）电池中心对称；（2）冷却板外表面绝热。
流体被认为是不可压缩的，稳定的状态和湍流。选择水作为工作流体，密度为998.2千克/米^3 和动态粘度1.002×10^(-3) N s /m^2。该计算网格由2000万个元素组成。在该步骤的上游应用不可压缩流体的均匀自由流动速度作为入口边界条件。在入口处应用对通道流有效的导出平均速度关系。入口和出口边界条件是基于湍流强度和湍流长度尺度设置的。使用5％的湍流强度与通过实验研究获得的值一致。速度为0.5784米/秒。增强壁处理（y + = 1）作为近壁功能应用。
图3. 在NX 8.5中使用锂离子电池的顶部和底部冷却板。
网格的划分是一个非常重要的步骤，因为各种网格参数（如节点数量和元素形状）对结果的准确性和解决方案的数值行为有重大影响。使用ANSYS ICEM生成精细的非结构化四面体网格来解析所有感兴趣的流动特征。图4（a和b）显示了几何体内不同位置的网格分辨率。图示位于锂离子电池组电池顶部和底部的冷板的入口和出口通道处的网格结构。
（a）冷道中的通道（b）入口和出口啮合的部分扩大
图4.  ICEM-CFD中冷板模型啮合的入口和出口通道
（a）在冷板中整体啮合（b）在通道的一小部分中啮合
图5. ICEM-CFD中的网格划分
图5 （a和b）显示了组件内生成的整体网格划分。沿着各种表面流动的流体，在一般位置用3层柱状单元进行划分，而在障碍物周围，则使用更加细化的网格划分方式。柱状单元层也进行调整，使第一个节点距离壁0.1毫米。
分析也在通道中的不同平面上执行。图6显示了用于CFD分析的冷板内的垂直平面，其中1是冷板入口，4是冷板出口。
图6. 小通道冷板内的垂直平面1，2 3和4（1个入口，4个出口）
图7. 1C放电率和5℃，15℃和25℃工作温度下的温度和速度等值线
表3 1C和2C放电率和不同边界条件下的进水口和出水口温度总结
4 结果与讨论
本部分解释了在5℃，15℃和25℃的操作条件下，在1C和2C的不同放电速率下水冷锂离子电池所获得的结果。
4.1 1C和5℃，15℃和25℃工作温度下的温度和速度等值线
图7（a，b和c）显示了1C放电率和5℃，15℃和25℃工作温度（水冷）下由CFD获得的温度等值线。这些轮廓在冷却板的中间平面处获得。提醒读者，十个热电偶被安置在电池的主要表面上：
一个位于正极或负极附近，另一个位于负极或负极附近，第三个位于电池的中间，沿着电芯的高度方向上的中间。也就是说，三个放置在电极附近，三个放置在电池的中心，两个放置在电池的顶部和中间，一个放置在电池的底部，一个放置在电池的中心和底部之间。据观察，操作温度对电池和冷板的性能有很大影响，并且观察到，随着操作温度在5℃至25℃之间增加，对于1C的特定放电率，温度值也增加。一般的冷却模式是相同的，环境温度越低，进水口处的温度差异较大。
图8 2C放电率和5℃，15℃和25℃工作温度下的温度和速度等值线
 
进水口温度变化与入口温度边界条件相关，但总体模式保持大致相同，图6（a）是例外情况。这可能是由于环境低温造成的差异。冷却模式遵循电池上的实验结果，出口的温度高于入口温度。所有情况下的速度等值线都是相同的，这是可以预料到的，因为模拟中涉及的低温对水的密度几乎没有影响。表3显示了进水口和出水口各个状态的温度。
 
4.2 在2C和5℃，15℃和25℃工作温度下的温度和速度等值线
图8（a，b和c）显示了2C放电率和5℃，15℃和25℃工作温度下的温度等值线。据观察，随着电池放电，冷板中的循环水会被加热，这是显而易见的。由于放电率从1C增加到2C，温度值也有所增加。观察到的趋势是增加的放电速率和减少的BC导致冷板中的温度升高。表3提供了在2C放电率和5℃，15℃和25℃不同工作温度下的进水口和出水口温度的总结。同样，一般的冷却模式是相同的，类似于4.1节中的结果。当水冷时，冷却板入口处的温度差异较大。温度值随入口温度边界条件而变化，但整体图案保持大致相同。同样，所有情况下的速度轮廓都是相同的。图8（d，e和f）显示了2C放电率和5℃，15℃和25℃工作温度下的相应速度等值线。
类似地，温度和速度等值线也在微通道冷却板的入口和出口平面（平面1和平面4）处获得。图9-11显示了2C放电率和5℃，15℃和25℃工作温度下的温度和速度等值线。除此之外，还研究了放电率对电池性能的影响，发现C率和工作温度对电池性能有很大影响。
图9 2C出口速率和5 ° C工作温度下入口和出口平面的温度和速度曲线
 
图10.在2C放电率和15 ° C工作温度下进口和出口平面的温度和速度曲线
图11. 2C放电率和25 ° C工作温度下入口和出口平面的温度和速度曲线
 
5 结论
本文使用实验和数值（使用ANSYS-RANS方法）技术，对置于方形锂离子电池电芯上的微通道冷板内的温度和速度分布进行了比较研究用于1C和2C放电速率和5℃，15℃和25℃不同工作温度下的水冷方法。
然后说明如下几点结论：
（i）电池微通道水冷板内部温差随着C率的增加而增加; 
（ii）增加放电率（在1C和2C之间）电池表面的十个温度传感器位置的温度都上升; 
（iii）最靠近电极的热电偶传感器提供比中心热电偶更高的温度。模拟的冷却模式与实验获得的模式一致。
这些结果为电池系统的设计和优化提供了参考。‌‌‌‌
 
参考文献

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