新材料与工艺手册

新能源汽车散热系统中泡沫铝的应用研究

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发表于 2020-6-4 16:23:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】新能源汽车散热系统中泡沫铝的应用研究
江 滔(合肥职业技术学院 安徽 )
【摘 要】近年来,新能源汽车凭借其环保、节能的应用优势,吸引了越来越多人的关注与青睐,由于新能源汽车中的电池组在充放电过程中会产生大量的热量,这不仅会影响电池组的使用寿命,甚至还会给新能源汽车带来安全隐患。泡沫铝是一种类似于泡沫性质的介质金属,将泡沫铝应用于新能源汽车散热系统中可发现,填充的泡沫铝长度越长,则散热系统对电池组的降温效果就越好,并且电池组的最大温差会呈现出先减后增的趋势,而泡沫铝的孔隙度并不会明显影响电池组的最高温度,不过泡沫铝的孔隙度越小,则电池组的最大温度也会随之减少,这说明电池组的温度分布均匀性会显著提高。 鉴于此,本文对新能源汽车散热系统中泡沫铝的应用进行深入的研究,以期能够提高新能源汽车的散热性能。
【关键词】新能源汽车;散热系统;泡沫铝;应用
0.引言
随着人们环境保护意识的不断增强,新能源汽车已经成为未来取代传统燃油汽车的重要发展方向。 相比于传统的燃油汽车,新能源汽车具有节能、环保的应用优势,能够大大缓解当前自然能源紧缺的局面,改善我国自然生态环境。近年来,越来越多的专家和学者投入到新能源汽车的研究中,对于新能源汽车来说,由于其广泛采用锂离子动力电池作为其动力系统,而锂离子动力电池在充放电时会散发出大量的热量,进而造成其内部温度急剧升高,这会严重影响锂电池的使用寿命,甚至还会给新能源汽车带来很大的安全隐患。因此,有必要对新能源汽车散热系统进行科学的设计,而在散热系统设计中,泡沫铝作为一种密度相对较低的多孔介质金属,其具有比表面积大、质量轻等特点,将泡沫铝应用于散热系统中,可提高散热系统对电池组的蓄热能力的同时,还能确保电池组中的温度分布均匀。为此,以下就对新能源汽车散热系统中泡沫铝的应用进行深入的研究。
1.新能源汽车散热系统中的电池模块分析
现阶段,新能源汽车散热系统对锂离子电池的冷却方式主要有三种,包括空冷、相变冷却及液冷,这三种冷却方法都有各自的特点,其中空冷方法在系统设计上较为简单,有着较高的可靠性,但空冷系统的散热能力却比较差,如果不对电池箱体的体积进行加大,不增加风机功耗的基础上,对新的空气流场进行设计,可使空冷方法的散热效果大幅提升,而这种构思将成为诸多学者的主要研究方向。 液冷方式在系统设计上比较复杂,同时在设计液冷系统时,还要考虑到液体是否会发生泄漏的问题,而且需要采取相应的节能降耗措施来降低泵的功耗。 相变冷却虽然不用进行复杂的系统设计,但其散热只能通过单次循环的方式来实现,而且散热效果也并不理想。 为了分析新能源汽车中的锂离子电池的热量散发情况,以此选择最佳的冷却方法,本文对新能源汽车中的锂离子电池进行了相应的理论描述,将磷酸铁锂动力电池作为研究对象,该电池模块的单体几何尺寸为20.3cm×11.2cm×5.8cm,其电池仓的材质为不锈钢,厚度为0.3cm,电池模块的标称容量可达到70Ah。该电池模块共包括单体电池八个,这些单体电池以单排的方式形成电池组,各个单体电池保持着0.4cm 的距离,而仓体和电池则保持着1cm 的距离,电池模块外围入口与出口的尺寸相同,全部都是0.4cm×8cm,而支架和接线等不重要的附件在本文中进行了相应的省略。对于锂动力电池来说,其热量的产生主要来源于四个途径,分别是反应热所产生的热量、焦耳所具有的热量、极化反应所产生的热量以及副反应所产生的热量,在工程领域中,对于锂离子电池来说,其单位体积所具备的生热速率可通过Bernardi 生热速率模型来进行估算,具体的估算公式可表示为:

在上述公式中,锂离子电池的负载电流、产热量、负载电压、开路电压以及电池温度分别由 IL、qgcn、UL、EO 、Tbat 表示,从该公式中可以了解到,电池热量的产生主要包括两项,其中有一项属于不可逆的产热,可将其用I2R 表示,而右边一项则属于可逆的产热,通常来说,可逆的产热相比于不可逆的产热要少2%, 因此可进一步忽略上述公式中的可逆产热项,由此只需利用以下公式来估算出锂离子电池的产热速率即可,该公式可表示为qgcn=I2R,在该公式中,锂离子电池的总电阻由R 进 行 表 示[1]。
2.新能源汽车散热系统对电池温度的散热效果分析2.1 入口风速
在新能源汽车散热系统中,如果是以空冷冷却的方式来进行系统设计的,虽然空冷系统的设计较为简单,并且有着较高的可靠性,但其自身的散热效果却并不理想,如果将散热系统中的入口风速设定为1米每秒,此时外界环境的气温为30℃,这时锂离子电池在此环境下其放电速率为1C,通过计算机来对锂离子电池组进行模拟,可以发现锂离子电池组的温度会迅速上升,其温度最高值接近于50℃.而当外界环境的气温设置成35℃时,可以发现锂离子电池组的温度最高值可高达54.4℃, 通过以上两种场景的模拟可以知道,45℃是锂离子电池组性能衰减的一个标准点,也就是说当锂离子电池的内部温度达到45℃以上时,此时锂电子电池的性能便会迅速降低。
2.2 风速增加
在分析新能源汽车散热系统对电池温度的散热效果时,将散热系统中的入口风速进行增大,可以发现锂离子电池组的温度最高值有所降低,不过降低幅度较小。当计算机模拟的外界环境气温为30℃时,散热系统的入口风速需要达到5 米每秒以上,才可使锂离子电池组的温度最高值降低至40℃以内。 而如果计算机模拟的外界环境气温为35℃,则散热系统的入口风速需要至少达到10 米每秒以上时,此时锂离子电池组的温度最高值为39.6℃。 从以上模拟结果可以了解到,要想使锂离子电池组的温度最高值降低,使锂离子电池组的性能始终能够保持在性能稳定线以内, 就必须要加大散热系统中入口的风速,不过这种方法所起到的降温效果却并不明显,而且加大散热系统中入口的风速反而会使风机的功耗大大增加, 加重锂离子电池组的运行负担,并且也缩短了锂离子电池的续航能力。显而易见,通过加大散热系统入口风速的冷却方式来对锂离子电池组进行散热在技术上来说是不可取的。
3.新能源汽车散热系统中泡沫铝应用的边界条件
泡沫铝作为新能源汽车散热系统中的重要材质,其具有比表面积大、多孔、质量轻等特点,因此可将泡沫铝看成是一种类似于泡沫的多孔介质金属材料, 泡沫铝在散热系统中的应用可显著增强湍流效果。为了分析泡沫铝在新能源汽车散热系统中应用的边界条件, 本文借助于Brinkman-Forchherier-extend Darcy 模型来进行相应的分析,在此过程中,需要将空气作为一种不可压缩的流体,其不具备相变,并将空气中的辐射、自然对流以及热弥散进行忽略,然后本文采用SolidWorks+ICEM+fluent 建模软件来对泡沫铝在散热系统中的三维几何模型SolidWorks 进行构建, 并通过ICEM 对三维几何模型的网络进行结构划分,然后通过fluent 进行求解,通过k-e 方程的有效应用,对压力出口和速度入口进行确定,同时将空气当作不可压缩的一种气体,得出泡沫铝在新能源汽车散热系统中不具备边界滑移条件。 本文利用ANSYS 软件中的fluent 对泡沫铝所具有的惯性阻力及粘性阻力两种系数进行了相应的计算,在计算过程中需要明确泡沫铝作为多孔介质所具有的孔隙率和渗透率,确定惯性系数,该惯性系数为无量纲数,因此将惯性系数的值设定为0.1[2]。
4.新能源汽车散热系统中泡沫铝的应用效果研究
为了分析新能源汽车散热系统中泡沫铝的应用效果,取长度不同的泡沫铝填入到新能源汽车的电池仓内。
4.1 泡沫铝在新能源汽车散热系统中的影响分析及模型验证
新能源汽车是未来汽车产业的发展方向,对新能源汽车的研究有助于保护自然生态环境,减少空气污染。在此大背景下,人们对新能源汽车的技术研究也不断加深,新能源汽车散热系统的研究便是其中一大重点,为了分析泡沫铝在新能源汽车散热系统中的应用效果,使锂离子电池组的最高温度得到有效降低,提高锂离子电池组的温度均匀性,需要在电池仓与锂离子电池组四周的空隙中填入不同长度的泡沫铝,然后通过对电池仓的温差最大值与温度最高值进行模拟,并对模拟结果进行分析。在进行模拟分析时,需要将初始条件进行相同设置,在电池仓内,锂离子电池组的放电速率为1C,然后对锂离子电池组的散热效果进行衡量,该放电速率也是新能源汽车在散热系统设计中允许的最高值,在填入泡沫铝时,需要对泡沫铝的孔隙率进行严格的要求,将该值设定为0.95,然后设定散热系统入口处的风速为3 米每秒,最后再对电池仓的温差最大值与温度最高值进行模拟,并将模拟后所获得的模拟结果和Shahabeddin K 所得到的研究结果进行对比, 通过对比可以发现, 模拟结果和Shahabeddin K 得到的结果呈现出较高的吻合性。此外,之所以会产生数据大小之间的差异,其原因在于锂离子电池组在放电倍率、生热率上存在不同,再加上进口风速也是不同的,这就造成数据之间的不同,但从这些数据的变化趋势来看,却呈现出高度的一致性,通过观察数据的变化趋势就能够说明本文所提出的模型是正确的。
4.2 泡沫铝长度对新能源汽车散热系统的效果影响
在新能源汽车散热系统中,空冷冷却方法是利用外界空气将电池仓中的热量交换出去,以此达到散热目的。在电池仓内,其后部因空气和位于仓体前部的电池进行热量交换后, 会使仓体后部的温度提高,进而降低了仓体后部的散热能力, 因此从上述分析中可以了解到,电池仓的后部散热效果要弱于仓体前部的散热效果,因此仓体后部的电池温度要比仓体前部的电池温度要高,通过明确该点,因此可将泡沫铝填入到电池仓的后部,以此增强电池仓后部的散热性能,降低仓体后部的电池温度[3]。 为了进行更加深入的对比,需要按照五种情形来进行划分,然后观察这五种情形下电池仓的散热效果,从而明确泡沫铝对新能源汽车散热系统的影响。 第一种情形是不在电池仓中填入泡沫金属,第二种情形是在电池仓的后部位置填入与锂离子电池组四分之一长度相等的泡沫铝, 第三种情形是在电池仓的后部位置填入与锂离子电池组一半长度相等的泡沫铝, 第四种情形是在电池仓的后部位置填入与锂离子电池组四分之三长度相等的泡沫铝, 第五种情形是在电池仓的后部位置填入与锂离子电池组相同长度的泡沫铝, 通过上述五种情形的设置, 可以对比不同长度泡沫铝在新能源汽车电池仓中所起到的散热效果。 通过计算机软件对不同外界环境温度的条件下,新能源汽车锂离子电池的温差最大值以及温度最高值进行模拟, 锂离子电池组放电为70A,放电速率为1C,在填入泡沫铝时,需要确定其孔隙率,将孔隙率设置成0.95,并将新能源汽车散热系统的入口风速设置为3 米每秒。
通过确定新能源汽车散热系统中锂离子电池的结构及参数,分析了电池生热的机理,同时提出关于泡沫铝在锂离子电池仓中的散热计算方法,明确了其边界条件,然后提出了泡沫铝在新能源汽车散热系统中的五种应用情形,通过模拟软件对上述五种情形下泡沫铝的散热效果进行对比,以此分析不同长度泡沫铝对新能源汽车散热系统造成的影响。模拟结果表明,在上述五种情形下,不同长度的泡沫铝填入到新能源汽车的锂离子电池仓后,锂离子电池组的温差最大值与温度最高值均有所下降,只不过下降的幅度有所不同。其中在第五种情形下,锂离子电池组的温差最大值与温度最高值下降幅度最大,这说明泡沫铝在电池仓中的填入长度越长,则锂离子电池组的温差最大值与温度最高值下降幅度就越大。此外,在上述五种情形下,随着泡沫铝在电池仓中的长度增加,锂离子电池组的温差最大值会先减小,然后才有所增加。 当电池仓中填入了泡沫铝以后,锂离子电池组的温度最高值降低幅度可达到4.3℃,而其温差最大值的降低幅度则达到3.2℃。 将不同长度的泡沫铝填入到电池仓以后,可以获得计算机模拟软件对锂离子电池组的绝对温度分布图。 之所以会出现以上模拟结果,是由于泡沫铝在电池仓中填入长度的增加, 会增加锂离子电池组的散热面积,由于孔棱和流动方向相互垂直,这也使孔棱将原有的边界层进行了隔断,进而大大增强了流体的湍动效果,因此泡沫铝在电池仓中的填入长度真长,则锂离子电池组的温度最高值下降幅度就越大。
4.3 泡沫铝孔隙率对新能源汽车散热系统的影响
泡沫铝作为一种密度相对较低的多孔介质金属,其也是一种泡沫金属,而对于泡沫金属来说,孔隙率无疑是其非常重要的衡量参数,孔隙率可以对泡沫金属的内部组织结构的透气性进行真实反映,为了分析泡沫铝孔隙率对新能源汽车散热系统所造成的影响,以此选择孔隙率最佳的泡沫铝来作为新能源汽车锂离子电池组的散热材料,本文通过模拟软件进行了模拟,将外界环境温度设置成30℃,散热系统的入口风速设置为3 米每秒,选择不同孔隙率的泡沫铝作为锂离子电池组的填充散热材料,这些泡沫铝的孔隙率分别为0.85、0.9 和0.95,将不同长度、不同孔隙率的泡沫铝分别填充在电池仓的后部,然后测定锂离子电池组的温度最高值与温差最大值。 通过模拟可以发现,不同孔隙率的泡沫铝在填充到电池仓后部以后,锂离子电池组的温度最高值降低幅度相差不大, 而通过分析锂离子电池组的温差最大值可以发现,孔隙率越大的泡沫铝,锂离子电池组的温差最大值越大,这说明锂离子电池组的温差最大值会因孔隙率的减小而减小,也就是说,选择泡沫铝的孔隙率越小,则说明锂离子电池组的温度分布越均匀。 这是因为越小的泡沫铝孔隙率,代表电池仓中的固体骨架越多,这会增强电池仓的导热性,此时会使因体与流体间具有更大的比表面积,进而增强了电池仓的换热能力,自然新能源汽车的散热性能也就越好。
5.结语
随着我国对新能源开发与利用的愈发重视,在不久的将来,新能源汽车必将取代原有的燃油汽车, 进而真正成为汽车制造行业的主流,在缓解当前能源紧张局面的同时,也能真正还人们一片蔚蓝的蓝天。与此同时,人们对新能源汽车的研究也将变得愈发深入,这也使新能源汽车的散热不良问题将得到彻底的解决,有效延长新能源汽车蓄电池的使用寿命,而泡沫铝作为新能源汽车中重要的散热材料,也必将引起更多人的关注和研究,从而使泡沫铝在新能源汽车散热系统中必将发挥更大的作用,从而使新能源汽车能够在不久的将来真正出现在人们的面前。
【参考文献】
[1]李飞飞.泡沫铝对新能源汽车锂电池模块的散热研究[J].世界有色金属,2017(20):33-34.
[2]安治国,刘奇,郭敬谊,丁玉章.泡沫铝/石蜡 PCM 对锂电池组峰值温度的影响[J].电源技术,2018,42(08):1136-1139.
[3]逯彦红,段国林.泡沫铝对电动汽车电池模块散热的研究[J].电源技术,2017,41(01):12-14+114.




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