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动力电池包热管理技术设计方案及保温隔热材料应用

  本站   2020-01-05 次浏览


  随着新移动互联网时代的到来,各路造车新势力的纷纷亮相恰巧说明了一个问题:新一轮的消费升级来临,汽车用户越来越难以按原来的方式被满足。


  对于业内企业来说,这并不是一个很好的时代,因为转型是一件很痛苦的事情——这点笔者深有感触,当初从一个平面媒体转型到一个互联网媒体的那段时间可以说是我人生最黑暗的一段日子。同理,车企其实也是这样,本身大家都在好好的研究让一辆车更舒适、更安全、更豪华,结果摇身一变要去研究互联化、电动化、智能化,这个从A到B的距离对于每个车企都不同,有的也许只隔了一道门,有的也许要走上很久才能达到。


背景:


  现有模组的冷却方式主要是水冷和空气冷却;其中,空气冷却在占用较大体积的同时,冷却效果并不理想;一个主要的原因就是电池表面的对流换热系数较低且换热面积受限于电芯表面积,为了让空气把电池的热量及时带出带走,电芯和空气之间的温差要足够大,这就使的电芯的温度较高,对电芯的寿命和降低自放电相当不利;因此,我们决定利用均温板的技术原理,开发一种新的空冷散热结构。此种散热结构在尽量利用现有模组结构和电池包体积的同时,提高电芯的散热效果,把电芯温度从现有风冷模组的水平降至更低。


均温板原理和特点简介:


  均温板(vapor chamber)为两块铜板围成的内部有空腔的板;空腔内部壁面有毛细结构和支撑铜柱,同时空腔内部抽真空后再充一定量的工质,在蒸发区利用工质从液态变为气态相变吸收热量,在冷凝端被冷凝放热后再次相变,从气态变成液态,然后利用毛细结构的毛细力回到蒸发区。原理与热管基本相同。其优点是整个均温板表面的温度非常均匀,可以将很小面积很高热流密度的热源变相扩大,降低热流密度,进而将其冷却。


均温板冷却方案设计2


   原理是在模组底部放置一整块均温板,均温板超出模组的两侧上表面焊接铝挤散热片,散热片有专用风道,并假设用25℃空气冷却。均温板大小为200*200,厚度5mm(或更薄),若假设一个模组有17个电芯,共0.37KWh电量(参考JH项目)。则设计结构见下图



流场和热仿真:

为了验证散热片的散热能力,有必要对散热片进行散热能力的仿真。采用icepak 14.0软件进行仿真。

仿真边界条件:

1. 假设进口空气速度5m/s,进口位置在散热片前100mm处,出口在散热器后50mm处;则一个模组的总风量为0.54m³/min19CFM)

2. 稳态仿真时散热片底面热功率为31.5W;这个功率是17个6Ah电芯在5C放电时的发热功率总和的一半,而5C放电是按照客户的工况计算得到。

3. 风道不漏风,从进口进入的所有空气全部流过散热器再从出口流出,出口压力为0

4. 不考虑辐射传热,求解域壁面设为绝热壁面。

仿真初始条件:

1. 进口空气为车舱内空气,假设为恒定的25℃

2. 散热片初始温度为25℃(稳态仿真)

模型设置:

散热器材料为Al 6061

散热器底面加热为恒功率,31.5W

流场模型为紊流

网格划分和求解域:   



稳态求解结果:

温度结果:

在上述边界条件和初始条件下,散热片的最高温度为33.3℃,平均温度30.8℃;出口空气平均温度为31

空气平均温升为6℃,散热器的平均温升为5.8

截取Y轴中间截面温度云图如下:



风阻或压降:

整个仿真区域进口至出口的压降为193.7Pa,从散热器进口至散热器出口的压降为203Pa

截取Y轴中间截面压力云图如下:


结论:

1.在假设边界条件和初始条件下,此散热器能把热量散发至冷却空气,同时温度基本维持在31℃以下;由于散热器紧贴均温板,则也可认为整个均温板皆为31℃,即电芯底部冷却面的温度为31℃,勉强符合冷却要求。

2.在假设的风量下,此散热器的压降为203Pa,压降较大。

3.此设计方案2,均温板尺寸比方案1要大很多,存在均温板制造困难,表面容易磕碰变形风险,且如何保证均温板与模组底部的永久有效接触也是很大的挑战;

4.若采用均温板为模组冷却方案,则推荐方案1;


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