提高冷却效率的并联空冷电池热管理系统电池组结构设计外文翻译资料

 2021-10-24 09:31:47

英语原文共 13 页

提高冷却效率的并联空冷电池热管理系统电池组结构设计

摘要：

本文设计了并联风冷BTMS中电池组的电池间距分布，以提高系统的冷却效率。并建立流阻网络模型用于计算冷却通道中的气流速率。引入修改因子以减少模型的误差。通过计算流体动力学（CFD）计算验证了模型的有效性，并且通过具有铝块的实验风冷系统验证了CFD方法。结合改进的流阻网络模型，采用优化电池单元间距的策略，以实现冷却通道间气流速率的均匀化。然后引入调节系数以调节冷却通道中的气流速率，从而获得更均匀的电池温度。通过典型数值试验仿真的结果表明，使用已经优化的电池间距后，BTMS的冷却效率得到显著提高。与原始BTMS相比，优化BTMS的电池组的最高温度降低了约4.0K，并且对于各入口气流速率，最大电池温度差减少了69％以上。与先前研究中的优化BTMS相比，对于各入口空气流速，优化过后的BTMS的最大电池温度差异降低了超过25％。

  1. 简介

近年来，电动汽车（EV）引起了全世界的关注并迅速发展，有望缓解能源危机和环境问题。锂离子电池组由于具有高能量密度，高效率，长循环寿命和环境友好性的优点而常用于电动汽车中供电[1]。锂电池的适当工作温度应低于40℃，电池温差应小于5℃[2]。但是，当电池组工作时会产生大量的热量。必须及时散除热量，以确保电池组在适当的温度和温度下工作，保障系统的安全性和延长使用寿命。因此，电池热管理系统（BTMS）是散除电池单元产生的热量所必需的。

如今已经有了许多热管理技术来消散电池组产生的热量，包括空气冷却[3,4]，液体冷却[5-7]和相变材料（PCM）冷却[8-11]。在这些冷却技术中，空气冷却是常用的解决方案之一，因为它成本低并且系统结构简单。通过设计系统结构，已经做出很大努力来提高风冷BTMS的冷却效率。Pesaran[12]等比较了BTMS与串联通风冷却的冷却性能和平行通风冷却的冷却性能。结果表明，采用并联空气冷却的电池具有较低的最高温度和最大温差。余[13]等人将串联通风冷却与并联通风冷却相结合，以提高系统的冷却性能。 Fathabadi [14]将空气冷却与PCM冷却相结合，开发出一种用于锂离子电池组的混合有源-无源热管理系统。结果表明，混合系统的冷却性能优于以往的研究。孙等人将锥形冷却管道引入到具有U型流[15]的并联风冷BTMS中，并分别引入具有Z型流[16]的冷却管道。结果表明，通过使用锥形冷却管道可以减小最大集总电池温度差和最大集总峰值电池温度。Shahid[17]等人通过在相同配置中添加入口压力通风系统，多个涡流发生器和射流入口来改善BTMS的性能。结果表明，单个电池的最高温度，温差和温度均匀性均得到改善。陈[18]等人使用流动阻力网络模型来计算冷却通道中的气流速度，并使用牛顿法优化BTMS的气室角度与Z型流动。结果表明，优化后电池组的最大温差降低了30％以上。在最近的研究中，陈[19]等人也使用相同的优化方法来优化BTMS的压力通风系统与U型流动。现有研究表明，并联风冷系统对电池热管理非常有效。

对于并联风冷BTMS，电池单元间距分布是影响BTMS冷却性能的重要因素。王[20]等人研究了风扇位置和电池间距离对电池模块热性能的影响。最后，在考虑性能、空间利用率和成本后，建议优化电池模块结构中的单元间距。黄[21]等人研究了通道宽度和出入口位置的影响电池组的温差。范[22]等人引入了电池单元之间不均匀的间隙间距，以减小电池组的温差。朱[23]等人结合间距分布均匀下降范围与4o气室角度改善了BTMS的性能，发现电池组的最大温差可以降低到3℃以下。谢[24]等人采用正交试验方法优化了进气角度、出气孔角度和等通道宽度。发现优化后的最高温度和温差分别降低了13％和30％。 白[25]等人通过正交试验设计了风冷电池组结构。最后，得到了优化的空间下降范围，发散室的角度和会聚室的角度。结果表明，电池组的最高温度和最高温差都能满足电池组的温度要求。陈[26]等人采用简化模型来计算电池温度，并结合仿真过程来优化电池间距分布，以提高BTMS的冷却效率。结果表明，电池间距分布最优化后，电池最大温度差异明显减小。

上述研究表明，通过设计电池组的间距分布，可以显着提高风冷BTMS的冷却性能。然而，大多数研究根据研究人员的经验调整电池间距分布。因此，优化的BTMS的性能依赖于经验，并且很难找到最佳解决方案。在一些研究[23,25]中，引入了不均匀的电池间距分布，例如具有均匀下降范围的分布，以改善BTMS的冷却性能。然而，优化的BTMS仅在某些特定的空气流速下表现良好，并且BTMS之间存在差异，具有均匀的间距下降范围和最佳的间隔下降范围。在之前的研究[26]中，最大电池温度是通过简化的传热模型计算出来的。开发了一种策略，结合简化的传热模型进行电池间距优化。虽然这种策略是间距优化的常用策略，但由于假设每个电池单元具有均匀的温度，因此传热模型存在一定的误差。因此，在先前的研究中，优化的BTMS的电池单元之间仍存在一定的温差。本文提出了一种通用的优化方法，结合改进的简化模型，为并联风冷BTMS中的单元间距优化提供了更好的优化解决方案。引入流阻网络模型来计算冷却通道中的气流速率，并通过修正因子得到改善。基于改进的流阻网络模型，开发了一种优化策略来设计单元间距，以最小化冷却通道之间的气流速率差异。引入调节系数以调节冷却通道之间的气流速率分布，从而为优化的BTMS提供更好的冷却性能。引入典型情况以测试当前细胞间距优化的BTMS的性能。最后，将优化结果与之前研究中的结果进行比较。

  1. 计算模型
    1. 并联风冷BTMS配置优化示意图

在本研究中，考虑了图1中所示的典型并联空气冷却BTMS。BTMS中有N、M个棱柱形电池。电池单元之间的间距形成冷却通道。当电池通过冷却通道时，电池的产生的热量被空气带走。气流速率分布决定了电池单元表面的对流传热系数，最终影响电池单元的温度。更均匀的气流分布将保证电池单元的散热条件的一致性，这导致电池单元之间的较小温差。在本文中，电池间距分布被优化以设计冷却通道之间的气流速率分布，以最小化电池温度差异，同时不增加空气冷却BTMS的总体积和功耗。

    1. 流阻网络模型

  1. BTMS 三維模型

(b) BTMS 侧视图

图1. 三维并联风冷BTMS的示意图

图2. 流动阻力网络模型示意图

在电池间隔优化过程期间，调整电池间隔分布。应计算具有不同单元间距的BTMS的流场以评估系统的性能。计算流体动力学（CFD）是一种有效的流场计算方法。然而，CFD方法需要用精细网格离散BTMS，并且CFD计算的总时间很长，这使得间隔优化的总时间不可接受。为了缩短优化时间，引入流阻网络模型来计算冷却通道中的气流速度。该模型由刘[27]等人开发然后用于评估BTM在其他一些研究中的表现[18,26]。在流阻网络模型中，三维空冷BTMS相当于二维流阻网络，如图2所示。每个块代表通道的总压力损失。对于如图2中虚线框所示的循环，获得了以下压力损失方程[27]。

(1)

(2)

(3)

(4)

; 分别是总压力损失，摩擦压力损失和局部压力损失。DP，CC和CP分别代表发散通风系统，冷却通道和会聚通风系统。U是通道的横截面平均速度。是空气密度。l和D分别是段的长度和等效直径。和分别是无量纲摩擦系数和局部损失系数，由计算[27]

= (5)

(6)

(7)

(

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