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锂电池汇流排温度分布与载流能力的关系研究

   次浏览   潍柴动力股份有限公司   2021-07-30

文章来源:潍柴动力股份有限公司
锂离子电池因其具有能量密度高,循环寿命长等优点在新能源汽车动力系统中得到广泛应用。电池放电是一个生热过程,因此在有限空间内容易导致电池模组温度急剧上升。在以往的文献研究中,多数将电池系统温度上升归因于模组本身的放电过程而忽略其他因素,比如汇流排。因此研究汇流排的热行为及其对电池模组温度的影响具有一定的必要性。

本文以某型号汇流排作为研究对象,通过仿真和实验分析汇流排的生热状况及温度分布,考虑的主要影响因素有截面厚宽比(H/W)、焊接位置等,并分析不同结构的汇流排的发热对电池模组温度的影响,为工程实际应用提供参考。

1汇流排结构设计及生热分析

1.1汇流排三维几何结构

根据实际应用建立汇流排的三维几何模型如图1所示,汇流排长度为L=100mm,截面积S=100mm2,基于焊接位置设计三种结构:对称式、对角式及单侧式。在截面积一定的情况下,汇流排厚度H分别设置为1mm,2mm,4mm,5mm,8mm,10mm进行仿真分析。

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1.2汇流排生热分析

本文研究对象为铝质汇流排,其材料特性如表1所示。从能量守恒的角度分析,汇流排自身吸收的热量可通过以下公式表示:

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式中,c为铝的比热容,m为汇流排质量,△T为温升,I为通过汇流排的电流,R为汇流排电阻,t为时间,h为汇流排表面对流换热系数,A为换热面积。

由公式(1)可知,当电流不同时,在相同时间内汇流排的温升是不一样的,经推导发现汇流排的温升与电流的平方呈比例关系,即

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,从而在理论上解释了汇流排温升与电流之间的关系。

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2仿真模型的建立

2.1模型控制方程及边界条件

本文采用Fluent软件对汇流排进行电-热耦合分析。首先通过式(2)求解汇流排中的电势分布:

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电流通过汇流排时产生的焦耳热可由式(3)得到:

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汇流排内部能量偏微分守恒方程则如式(4)所示:

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式中,等式(2)左边的φ为电势,σ为电导率,S为源项,等式(3)左边的q为汇流排的生热速率,等式(4)左边的ρ和cp分别为汇流排的密度和比热容,右边的T为温度,λm(m=x,y,z)为汇流排的各向导热系数。

模型边界条件可用式(5)及式(6)描述:

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式中,j为电流密度,AS为汇流排截面积,h为汇流排表面与周围环境的对流换热系数,Tamb为环境温度,Tb为汇流排表面温度,n为垂直于汇流排表面的方向。

2.2模型的验证

本文选取H=1.5mm和H=2mm两种厚度的汇流排进行实验对模型进行验证,宽度均为W=57.5mm,采用的实验装置主要包括电池测试系统900V300A-2CH),温度测量仪KEYSIGHT34972A等。

仿真和实验结果对比曲线如图2所示。从图中可以看出,仿真和实验结果基本相符,但由于实验装置本身存在系统误差,且仿真和实验条件也存在一定的差异性,以上因素均导致仿真分析和实验结果之间存在一定的误差,但最终的稳态趋于一致。

综上所述,模型能够比较准确地预测汇流排最终的温升。

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3结果与讨论

3.1厚宽比H/W对汇流排温度分布的影响

研究汇流排截面厚宽比对其温度分布的影响,重点是对比其结构设计在散热方面的差异。图3给出了H/W取不同数值时汇流排温度及变化曲线,电流方向如图3(a)箭头所示,流入端的温度略高于流出端的温度,温差不超过0.5°C,且中间区域的温度总体略高于周边。

图3(b)为汇流排温升与H/W的关系曲线,从中可以看出,随着H/W的增加,汇流排温升逐渐上升。因为随着厚度的增大,中心区域的热阻增加,导致该区域热量散发缓慢,进而导致温升增加。

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3.2焊接位置对汇流排温度分布的影响

图4给出了焊接位置对汇流排温度的影响。可以看出,焊接位置的变化会影响汇流排的温度分布。对称式结构,电流分布具有一定的对称性,相应的温度场呈对称分布;对角式结构,高温区域的分布与电流走向基本相符;单侧式结构,高温区域位于汇流排左侧,左侧为电流主要流经区域。通过对比三种焊接位置可以发现,对称式分布时汇流排的最高温度是66.34°C,温差为0.35°C,在三种方式中均为最低,说明对称式结构设计是最优的。

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3.3焊接位置对汇流排温度分布的影响

图5至图7给出了汇流排焊接至模组后整体温度分布以及电芯1和电芯5的温度变化曲线。电流设置为300A,从图中可以看出,电流出入端处的汇流排温度依然比较高,且电池模组的温度总体低于汇流排。图5中模组最高温和最低温分别为37.96°C和36.43°C,图6中模组最高温和最低温分别为39.33°C和37.38°C,图7中模组最高温和最低温分别为39.40°C和37.43°C。从以上数据可以看出,当汇流排厚度H=2mm时,模组温度是最低的,因为此时汇流排的散热面积较大,使得传递至电池模组的热量相对较少,因此对模组温度的影响也是最小的,这说明汇流排的厚宽比越小,对模组的影响就越小,这与3.1小节中的结论是一致的。

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4结束语

基于热模型研究汇流排的生热及其对电池模组温度的影响。通过本文的研究,得出以下结论:

(1)在截面积一定的情况下,厚宽比H/W对汇流排的温度影响比较明显。厚宽比越大,汇流排温升越大,反之则越低。

(2)焊接位置的变化对汇流排的温度分布具有一定的影响。采用对称式时温度分布比较均匀,且温升和温差最低。

(3)将汇流排焊接至电池模组时,汇流排的温度要高于模组的温度,当厚宽比H/W越大时,模组温升越大,反之则越小。

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