快充条件下考虑汇流排生热的电池模组热管理研究.pdf
《快充条件下考虑汇流排生热的电池模组热管理研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《快充条件下考虑汇流排生热的电池模组热管理研究.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 32 卷第 5 期万葛亮,等:空气源热泵外机低频噪声源识别及优化503文章编号:1671-6612(2023)04-503-09快充条件下考虑汇流排生热的电池模组热管理研究敬卓鑫1彭宇明1,2黄港1任洪兵1谌帆1杭玉麟1(1.西南交通大学机械工程学院成都610031;2.新型驱动技术教育部工程中心成都610031)【摘要】建立了一款 3.7V/50Ah 三元锂电池的电化学-热耦合充电模型,通过仿真和实验的结合验证了模型的正确性,电芯实验和仿真温度最大相对误差为 2.04%,电芯实验和仿真电压绝对误差控制在 0.1V 以内。在此基础上建立了考虑汇流排生热影响的模组生热模型,研究汇流排生热对模
2、组温度场的影响规律,针对水冷板布置在模组底面的原冷却系统对于模组顶部区域的冷却效果不足对其进行改进,提出将冷却板布置在模组侧面,并且将冷却管道形状从蛇形改为螺旋形,分析两种冷却管道条件下的冷却效果,随后分析冷却液流速对模组温度场的影响,确定冷却液流速为 0.5m/s 时最佳。最后设计的冷却系统模组汇流排体平均温度降低了 16.873,模组顶部表面平均温度降低了 14.353,模组电芯体平均温度降低了 13.501。【关键词】三元锂电池;电化学热耦合模型;汇流排;液体冷却系统中图分类号TK124文献标识码AStudy on Thermal Management ofBattery Module
3、Considering Heat Generation from Busbars under Fast Charging ConditionsJing Zhuoxin1Peng Yuming1,2Huang Gang1Ren Hongbin1Chen Fan1Hang Yulin1(1.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031;2.Engineering Center of New Drive Technology,Ministry of Education,Chengdu,610
4、031)【Abstract】In this paper,an electrochemistry-thermal coupling charging model of 3.7V/50Ah ternary lithium battery isestablished.The correctness of the model is verified by the combination of simulation and experiment.The maximum relative errorof cell experiment and simulation temperature is 2.04%
5、,and the absolute error of cell experiment and simulation voltage iscontrolled within 0.1V.On this basis,a module heat generation model considering the heat generation effect of the busbars wasestablished to study the influence of busbar heat generation on the temperature field of the module.In orde
6、r to improve the coolingeffect of the original cooling system where the water-cooled plate was placed on the bottom surface of the module on the top area ofthe module,it was proposed to arrange the cooling plate on the side of the module and change the shape of the cooling pipelinefrom serpentine to
7、 spiral,and analyze the cooling effect under two different cooling pipeline conditions,Subsequently,the impactof coolant flow rate on the temperature field of the module was analyzed,and it was determined that the optimal coolant flow ratewas 0.5m/s.The average temperature of the bus body of the fin
8、al designed cooling system module decreased by 16.873,the作者简介:敬卓鑫(1998-),男,在读硕士研究生,E-mail:通讯作者:彭宇明(1970-),男,硕士,副教授,E-mail:收稿日期:2023-03-03第 37 卷第 4 期2023 年 8 月制冷与空调Refrigeration andAir ConditioningVol.37 No.4Aug.2023.503511504制冷与空调2023 年average surface temperature of the module top decreased by 14.35
9、3,and the average temperature of the module cell bodydecreased by 13.501.【Keywords】Ternary lithium battery;Electrochemical thermal coupling model;Busbar;Liquid-cooled system0引言发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路,是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。随着电动汽车行业的不断发展,人们对于汽车的续航和动力性要求不断的提高,因此需要更大容量的电池串并联接来满足需求1-3。作为动力电池模组重要的连接件,汇流排
10、在大电流工况下会产生大量的焦耳热,如果不能够对模组顶部温度进行有效的散热,模组电池温度不均衡性加剧,影响整个模组的工作性能,严重的会引发热失控,进而影响驾驶人的人身安全。余剑武4等人研究了汇流排结构,汇流排焊缝的宽度和焊缝位置等对汇流排温升以及电池均衡性的影响。结果发现增大汇流排厚度能显著的提升汇流排的过载能力。张万良5等人运用电热耦合模型研究汇流排的厚宽比和焊接位置等因素对汇流排温度场的影响,以及汇流排的厚度变化对模组温度场的影响,研究表明,焊接位置采用对称式时汇流排的温度场分布更均匀,当汇流排的截面面积不变时,厚宽比越大,电池模组的最高温度越大。随着电动汽车的不断发展,为了解决充电慢的问题
11、,国内外众多车企均开展了高功率快充技术的研究。因此随着快充技术的不断普及,整个模组的充电电流是非常大的,这样会造成汇流排产生大量的焦耳热,而且方形铝壳电池模组温度监控点多布置在汇流排表面,汇流排的温度过快升高,也会造成电池系统提前出现功率限制故障,进而影响用户体验,甚至存在安全隐患6。然而调研发现,关于电池模组和电池包层面的热管理多数不考虑汇流排生热对模组温度场的影响,而且如今关于汇流排的研究主要集中在放电工况。针对上述情况,本文以某三元电池为研究对象,建立一款 3.7V/50Ah 三元电芯电化学-热耦合充电模型,在此基础上建立电池模组和汇流排温度场耦合模型,分析在汇流排影响下电池模组温度场分
12、布规律,研究汇流排厚度、汇流排截面厚宽比等因素对模组温度场影响,同时对分布在模组底部的冷却系统进行优化,研究将冷却板布置在侧面、不同冷却管道结构和入口流量对冷却效果的影响。从而对考虑汇流排生热影响的电池模组冷却系统进一步优化改进。1电化学-热耦合模型建立本文以某方形三元电芯为研究对象,建立其电化学-热耦合模型。电化学热耦合模型根据多孔电极和浓溶液理论建立,其沿着厚度方向进行区分依次包含负极集流体、负极电极、隔膜、正极电极和正极集流体。电化学热耦合模型中的参数主要有电芯的结构设计参数、随温度变化的动态参数和热模型中的对流换热系数等。其中电芯的结构参数和动态参数参考相同电池体系文献,对流换热系数通
13、过理论计算公式计算出初始对流换热系数,后续结合试验数据不断进行修正。电化学热耦合参数7-9取值如表 1 所示,电芯的基本参数如表 2 所示。其中液相的扩散系数和液相电导率如公式(1)(2)所示,电芯的三维模型和实物如图 1 所示。表 1电化学-热耦合参数Table 1Electrochemical thermal coupling parameters参数正极隔膜负极固相体积分数0.5470.65液相体积分数0.3320.53070.23电解质浓度eC/molm-3120012001200电极厚度L/m611373颗粒半径pr/m6.329.93扩散系数sD/m2s-11e-141.4523e
14、-13反应常数k/m2s-15e-102e-11固相电导率/Ss-13.8100传递系数0.50.5锂离子迁移数0t0.3630.3630.363平均密度 kg/m32420平均比热容 J/(kgK)1412换热系数 W/(m2K)8435410(8.432.2*)2295*eeeDeCTeC(1)第 37 卷第 4 期敬卓鑫,等:快充条件下考虑汇流排生热的电池模组热管理研究505-45269721021.2544(8.24880.0532482.98710.00262359.30638.0692.220021.765)eeeeeeee CTe TCe CTe CTe CeC T(2)本文分别
15、在电池的电化学模型和热模型上采用了一维和三维几何模型。将在锂离子电池模块中计算出的整个电池的平均生热率输入到电池的三维热模型中作为其生热源,再将热模型计算出的整个电池平均温度反馈回电化学模型,实现模型的双向耦合。表 2试验电芯参数Table 2Test cell parameters参数工作温度区间/标称电压/V最大充电倍率/C标称容量/Ah充放电截止电压/V数值-20553.71504.3/2.75图 1电芯三维模型和实物图片Fig.1Three-dimensional model and physicalpicture of cell2模型验证图 2试验平台Fig.2Test platfo
16、rm为了验证模型的准确性,实验采用了某公司生产的 CT-4001-5V300A-NA 型电池充放电测试柜、东莞泓进检测仪器公司生产的 HJ-GD91 型的高低温试验箱、东莞市科联电子有限公司生产的 SH-X型号的多路温度记录仪。且将 K 型针式端子热电偶按照如图 2 所示分布在电池表面。仿真利用COMSOL Multiphysic 对电芯模型进行数值分析。对电芯分别在 20、25、30时恒流充电的电压和温度数据进行对比,验证电化学-热耦合模型的准确性。2.1不同工况电压验证电化学模型的电压验证如图 3 所示,分析图像可知:在 20、25、30时充电电压的仿真和实验数据展现出了很好的一致性,在三
17、种不同温度下电压的最大绝对误差均不超过 0.1V。(a)20充电电压曲线(b)25充电电压曲线(c)30充电电压曲线图 3不同环境温度下充电电压验证曲线Fig.3Verification curve of charging voltage at differentambient temperatures506制冷与空调2023 年2.2不同工况温度验证模型温度验证如图 4 所示,分析结果可以看出在不同的环境温度情况下实验和仿真温度曲线基本吻合。在 30环境温度下,充电最大相对误差为 2.04%,25环境温度下,仿真和实验数据最大相对误差为 1.85%,而在 20环境温度下充电过程仿真和实验温度
18、最大相对误差只有 1.236%。总的来说,该模型具有较好的精度,后续模组的建模也将延用该模型。(a)20充电温度曲线(b)25充电温度曲线(c)30充电温度曲线图 4不同环境温度下充电温度验证曲线Fig.4Verification curve of charging temperature atdifferent ambient temperatures3考虑汇流排生热的模组仿真3.1模组三维模型研究采用市面上某款动力电池模组,模组的电芯排布采用 5P4S 的方式,电芯之间保留 3mm 的间隙,为了减少计算量,本文的模组模型只保留电芯和汇流排,模组的简化模型如图 5 所示。图 5模组三维模型图
19、Fig.5Three-dimensional model3.2模组温度场仿真本研究通过 COMSOL Multiphysic 多物理场仿真软件对动力电池模组温度场进行仿真,其中汇流排的温度通过加入电场边界条件进行计算,通过电磁热多物理场接口,将动力电池模组的温度和汇流排进行耦合,研究考虑汇流排温度影响的情况下,动力电池模组电芯体平均、模组上表面平均温度的变化。汇流排采用铝材料,厚度为 3mm,宽度为40mm,长排长度为 290mm,短排长度为 140mm。本研究仿真模组 1C、1.5C、2C 条件下温度场分布。仿真环境温度为 25,三种工况下汇流排对应电流大小为 250A、375A、500A。
20、模组的仿真温度场分布如图 6 所示。(a)1C 工况模组温度场分布(b)1.5C 工况模组温度场分布第 37 卷第 4 期敬卓鑫,等:快充条件下考虑汇流排生热的电池模组热管理研究507(c)2C 工况模组温度场分布图 6模组仿真温度场云图Fig.6Module simulation temperature field nephogram分析可得,恒流充电结束时,随着充电倍率的提高,汇流排温度也随之上升,汇流排的温度对电池模组的温升影响变大,特别是模组上部分和汇流排接触的电芯部分。图 7 所示为模组温度场数据图,在 1C 工况下,汇流排的体平均温度达到了56.823,造成模组电芯体平均温度达到5
21、2.999,模组顶部表面平均温度达到 54.467。1.5C 工况下,汇流排的体平均温度达到了 66.805,造成模组电芯体平均温度达到 57.886,模组顶部表面平均温度达到 61.048。在 2C 工况条件下,汇流排的体平均温度达到了 77.747,造成模组电芯体平均温度达到 62.029,模组顶部表面平均温度达到67.264。由于模组温度监控点多布置在汇流排表面,在高倍率充电过程中,模组顶部温度受到汇流排温度影响较大,容易造成电池系统提前出现功率限制故障,存在严重安全隐患。图 7模组温度场仿真Fig.7Module temperature field simulation3.3汇流排厚度
22、对模组温度场分布影响研究环境温度为 25,充电倍率为 1C 时,不同汇流排厚度对于汇流排温度以及整个模组温度场的影响,此时汇流排的长度宽度不变,汇流排的厚度分别设置为 1mm、2mm、3mm、4mm、5mm和 6mm 进行仿真。图 8 为汇流排不同厚度时汇流排的体平均温度变化图,图 9 为不同汇流排厚度变化对模组电芯体平均温度的影响图,图 10 为不同汇流排厚度对于模组电芯上表面平均温度的影响图。图 8汇流排不同厚度汇流排体平均温度图Fig.8Average temperature diagram of busbars body withdifferent thickness图 9汇流排不同厚
23、度模组电芯体平均温度图Fig.9Average temperature diagram of cells with differentthickness of busbars图 10汇流排不同厚度模组电芯上表面平均温度图Fig.10Average temperature diagram of upper surface ofmodule cells with different thickness of busbars从图中分析可知,随着汇流排厚度的增加,汇流排温度、模组电芯上表面温度和模组电芯体平均温度都在不断地下降,当汇流排的厚度达到 3mm时,随着汇流排厚度增加,虽然模组电芯体平均温度、
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 条件下 考虑 汇流 生热 电池 模组 管理 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。