تصميم لوحة سائل بارد لبطارية الليثيوم للمركبة الكهربائية

تصميم أ صفيحة مبردة بالسائل لبطاريات الليثيوم الناعمة للمركبات الكهربائية.استنادًا إلى اتجاه القناة الداخلية المحدد وطريقة تصميم الاختبار المتعامد ، يتم استخدام برنامج CFD لدراسة وتحليل تأثيرات معدل تدفق سائل التبريد (V) وعدد العدائين (N) وعرض العداء (W) وارتفاع العداء (H) ) على أداء تبديد الحرارة وأداء انخفاض الضغط للوحة المبردة بالسائل.الهيكل الأمثل للسائل لوحة التبريد يتم تحديده من خلال نتائج التصميم التجريبي وحساب المحاكاة ، ويتم اختبار الأداء المرتبط به.تظهر النتائج أن البطارية في نطاق درجة حرارة معقول ولديها تدرج ممتاز في درجة الحرارة تحت حالة تبديد الحرارة بهيكل محسّن ، وبالتالي اكتمال التحسين.على أساس نتائج التحسين ، تتم دراسة ترتيب اتجاه التدفق البديل ، وتأثير اتجاه التدفق على أداء عمل السائل طبق بارد يتم تحليله.تُظهر المقارنة أن استخدام مخطط التدفق البديل يمكن أن يجعل البطارية تتمتع ببيئة درجة حرارة عمل أفضل ، مما يوفر مرجعًا لتصميم لوحة التبريد السائل للبطارية.

لطالما كانت الإدارة الحرارية للبطارية موضوعًا ساخنًا لـ Winshare Thermal ، والتي تنقسم إلى مادة BTM لتغيير الهواء والسائل والمراحل.يتميز Air BTM بالتكلفة والمزايا الهيكلية.ومع ذلك ، فقد وجدت الدراسات أن تبريد الهواء لا يمكنه التحكم بفعالية في التدرج الحراري لخلايا البطارية فحسب ، بل لا يمكنه أيضًا التعامل مع الظروف القاسية مثل الهروب الحراري للبطارية.تعمل BTM من خلال الحرارة الكامنة لتغير الطور وتقتصر حاليًا على البحث النظري ، ولكنها لا تستخدم على نطاق واسع تجاريًا.تم اعتماد Liquid BTM على نطاق واسع في السنوات الأخيرة نظرًا لمزاياها مثل معامل نقل الحرارة المرتفع ، وتبديد الحرارة الكبير ، والهيكل المدمج.لقد وجد عدد كبير من التجارب والمحاكاة أن التبريد السائل له مزايا واضحة على تبريد الهواء.

صُممت لوحة تبريد سائل من النوع المشبك مع قنوات صغيرة مدمجة لبطاريات الحقيبة.يتم عرض معلومات البطارية وتخطيط الوحدة في الجدول 1 والشكل 1.

حجم سطح الصفيحة الباردة هو نفس حجم البطارية ، وسمكها 10 مم ، والمواد من سبائك الألومنيوم.حافظ على الاتجاه والموقع النسبي لخط الأنابيب الأساسي المركزي ، وقم بزيادة عدد خطوط الأنابيب على فترات 2 مم.أطوال كل خط أنابيب متوازي هي نفسها والمركز متماثل ، وهو أمر مفيد لتبسيط أعمال بحث اتجاه تدفق المتابعة.

تشتمل الحرارة المولدة ذاتيًا لبطاريات الليثيوم على حرارة تفاعل داخلية واستقطاب حرارة مقاومة داخلية وأوم حرارة مقاومة داخلية وحرارة رد فعل جانبي.إن توليد الحرارة للبطارية المستهدفة هو أساسًا حرارة مقاومة أومز الداخلية ، لذلك يتم تبسيط حرارة المقاومة الداخلية لأومز تقريبًا مثل إجمالي توليد الحرارة.حالة عمل التصميم هي تفريغ البطارية بمعدل 2C من 100٪ SOC عند 27 درجة مئوية.

تم بناء نموذج المحاكاة بشكل أساسي على أساس ANSYS Fluent16.0.حالة حدود المحاكاة هي درجة حرارة محيطة أولية تبلغ 300 كلفن. منفذ مدخل سائل التبريد هو حالة مدخل معدل التدفق ، وتتوافق درجة الحرارة مع درجة الحرارة المحيطة.منفذ المخرج تحت حالة مخرج الضغط ، وضغط العودة 0 كيلو باسكال.باستثناء الجانبين اللذين يمثلان توليد الحرارة للبطارية ، يتم تعيين الأسطح الأخرى كجدران ثابتة الحرارة ، مما يعني أن تدفق الحرارة يساوي 0.

تمت محاكاة المعلمات الأربعة لمعدل تدفق سائل التبريد (V) ، وعدد العدائين (N) ، وعرض العداء (W) ، وارتفاع العداء (H) في مجموعات مختلفة.يتم استخدام أعلى درجة حرارة وأكبر فرق في درجة الحرارة وفقدان الضغط كمؤشرات للتقييم.بالنظر إلى التكلفة والكفاءة الحسابية ، تم اعتماد تصميم تجربة متعامد يستخدم على نطاق واسع في الممارسة لتحقيق نتائج مثالية.

يشكل استخدام 4 عوامل ضمن نطاق معقول جدولًا متعامدًا.وفقًا للجدول ، يتم اختبار مستوى كل عامل لفحص تأثير كل عامل على المؤشر والتفاعل بين العوامل ، وإيجاد التركيبة المثلى.يعتمد مؤشر التقييم على درجة الحرارة القصوى ، وأقصى فرق في درجة الحرارة وفقدان الضغط لتوصيف تبديد الحرارة والأداء الهيدروليكي.تشير درجة الحرارة القصوى والفرق الأقصى في درجة الحرارة إلى أقصى درجة حرارة ونطاق لسطح البطارية في حالة مستقرة.فقدان الضغط هو فرق الضغط بين مدخل ومخرج الصفيحة الباردة في هذه اللحظة.

من أجل دراسة تأثير عدد العدائين على أداء التبريد بشكل مستقل ، فإن تغيير عدد العدائين لا يؤثر على تدفق المبرد مع الحفاظ على العوامل الثلاثة الأخرى.بخلاف دراسات عرض العداء الشائعة ، يتم التعبير عن عرض العداء الفعلي بالصيغة التالية.

كما هو مبين في الجدول 2 ، في عمود عرض العداء ، البيانات السابقة هي المستويات المختلفة لعامل العداء ، والبيانات الموجودة في الأقواس الخلفية هي عرض العداء الفعلي.

تظهر النتائج الأربع للمحاكاة في الشكل 2 أن تقلبات الانحراف المعياري لدرجة الحرارة القصوى ومتوسط ​​درجة الحرارة وفقدان الضغط أقل من 2٪.من أجل الحصول على نتائج أكثر دقة وتوزيع درجة حرارة السطح ، تم اختيار الشريط الذي يحتوي على 251193 عنصرًا للمحاكاة.

يمكن أن يكون معروفًا من الجدول 2 أن 16 مجموعة من الألواح الباردة تحتاج إلى محاكاة ومقارنة.بمقارنة بيانات درجة الحرارة القصوى ، وأقصى اختلاف في درجة الحرارة وفقدان الضغط ، وجد أن تصميم رقم 16 يمكن أن يجعل درجة الحرارة القصوى للبطارية هي الأدنى ، رقم 14 يحقق أصغر فرق في درجة الحرارة ، ورقم 3 بارد سائل لوحة لديها أصغر خسارة في الضغط.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن الحصول على درجة تأثير العوامل المتاحة على المؤشرات المقابلة من خلال تحليل متوسط ​​القيمة والمدى المتوسط ​​لكل مؤشر.يوضح الشكل 3 الاختلاف الشديد في متوسط ​​القيمة لكل مؤشر تحت عوامل مختلفة ، و Rx (x = أ ، ب ، ج) يتوافق مع المؤشرات الثلاثة بدورها.من نتائج التحليل ، يمكن استنتاج أن تغيير عدد قنوات التدفق يمكن أن يحسن التحكم في درجة الحرارة القصوى للوحة الباردة ، ويمكن أن يؤدي تغيير معدل التدفق أيضًا إلى التحكم في الحد الأقصى لفرق درجة الحرارة T_اختلاف وفقدان الضغط P._خسارة.

يوضح الشكل 4 تذبذب كل مؤشر مع تغير مستوى العامل.يتم فرز الإحداثي السيني في الشكل حسب القيمة.كما هو موضح في الشكل ، تنخفض درجة الحرارة القصوى بشكل رتيب مع زيادة معدل تدفق سائل التبريد ، وعدد العدائين ، وعرض العداء.يمكن أن تثبت نتائج التحليل أنه بالنسبة لمؤشر درجة الحرارة القصوى ، فإن عدد العدائين ومعدل التدفق هما العاملان الرئيسيان.ستؤدي زيادة معدل التدفق إلى زيادة سريعة في فقد الضغط ، ويمكن أن تؤدي زيادة عرض قناة التدفق إلى تحسين هذا الوضع.

من الجدير بالذكر أنه بناءً على مخطط تخطيط خط الأنابيب الجيد والخصائص الفيزيائية لسائل التبريد ، فإن بيانات اختلاف درجة الحرارة لكل عامل أقل من 2K ، مما يدل على تجانس جيد.عوامل فقدان الضغط لها تأثير تعويض متبادل.لذلك ، في تصميم التحسين ، يجب أن يكون التسلسل المرجعي للفهرس عند اختيار مستوى كل عامل هو أعلى درجة حرارة وفقدان للضغط وأقصى فرق في درجة الحرارة.

باختصار ، تركيبة المستوى المحسّن المعتمدة في هذه الورقة هي V = 0.3 م / ث ، N = 4 ، W = 6 مم ، H = 5 مم ، وتسمى على أنها الأمثل.الشكل 5 عبارة عن مقارنة بيانات لدرجة الحرارة القصوى ، وفرق درجة الحرارة القصوى ، وفقدان الضغط والمؤشرات الأخرى التي تم الحصول عليها عن طريق التحسين و 16 مجموعة أخرى من المحاكاة الهيكلية.في ظل عمل تبديد الحرارة للهيكل المحسن ، يكون الحد الأقصى لدرجة الحرارة وفرق درجة الحرارة لسطح البطارية ضمن نطاق العمل المناسب للبطارية.على الرغم من أن الهيكل الأمثل يقع في منتصف فقدان الضغط ، إلا أن القيمة أقل من 5 كيلو باسكال ، والتي لا تزال في نطاق معقول.بعد مقارنة الفهرس ، يمكن للهيكل الأمثل أن يحافظ على درجة الحرارة القصوى للبطارية ضمن نطاق معقول ويكون تدرج درجة الحرارة صغيرًا.في الوقت نفسه ، يمكنه أيضًا تلبية متطلبات التطبيق الفعلية في المجال الهندسي الحالي من حيث انخفاض الجهد.لذلك ، فإن تأثير تحسين تصميم اللوح المبرد بالسائل باستخدام طريقة تصميم الاختبار المتعامد يعد مثاليًا.يأخذ الإعداد الحالي في الاعتبار أداء العمل فقط عندما تكون درجة الحرارة المحيطة 300 كلفن ، وتحتاج ظروف العمل القاسية الأخرى إلى مزيد من الاستكشاف.

يتم دراسة تأثير اتجاه التدفق على أداء التبريد من خلال تحسين هيكل اللوحة الباردة ، ويتم استكشاف التطبيق العملي لنظام ترتيب اتجاه التدفق البديل.

من مقارنة 16 مخططًا لاتجاه التدفق البديل ، وجد أنه عندما يكون معدل تدفق المدخل ثابتًا ، يمكن أن يؤدي استخدام مخططات اتجاه التدفق البديل إلى تحسين توحيد درجة حرارة البطارية إلى حد معين ، ولكن التغيرات الشديدة في درجة الحرارة تكون صغيرة.

الأسباب هي كما يلي

(1) تحسين عدم انتظام درجة حرارة البطارية الناتج عن إعدادات المدخل والمخرج عن طريق تغيير اتجاه التدفق لبعض خطوط الأنابيب.عندما يكون معدل التدفق ثابتًا ، لا تتغير كمية المبرد المشارك في التبادل الحراري لكل وحدة زمنية.نظرًا للخصائص الفيزيائية لسائل التبريد ، لا يمكن للحل البديل تحسين قدرة تبديد الحرارة المطلقة ، وبالتالي يكون التأثير على درجات الحرارة القصوى محدودًا.

(2) الهيكل الأمثل أعلاه يحسن منطقة تبديد الحرارة الفعالة ولديه أداء تبريد أفضل.إن تحسين درجة الحرارة القصوى ليس واضحًا من خلال اعتماد مخطط التناوب ، لكن تحسين اختلاف درجات الحرارة واضح نسبيًا.

(3) على الرغم من أن هيكل الصفيحة الباردة السائلة نفسها يمكن أن تحدث فرقًا في درجة حرارة البطارية ضمن النطاق المثالي ، إلا أن المقارنة لا تزال قادرة على العثور على الحالة المثلى ، وزاد اتساق درجة الحرارة للحالة الأولية بنحو 20٪.

من خلال البيانات التجريبية وظروف درجة الحرارة ، وجد أن المخطط البديل لتدفق معاكس مزدوج الأنبوب يمكن أن يحسن توحيد درجة حرارة سطح البطارية.بالنظر إلى أن مخطط الترتيب البديل لربط الألواح الباردة لا يفضي إلى التجميع ، فإن مخطط التحسين هذا يحافظ على اتجاه التدفق الأصلي بدلاً من استخدام المخطط البديل.بالنسبة للتجارب الاستكشافية للمخططات البديلة ، يتم توفير اتجاه لتحسين الصفائح المبردة بالسائل.بالنسبة للبطاريات الأكبر حجمًا ، فإن مخطط اتجاه التدفق البديل هو مخطط يمكنه تحسين توحيد الخلايا ، والذي يمكن أن يوفر أفضل الإدارة الحرارية للبطارية للبطاريات ذات الشريط الطويل مثل البطاريات النصلية ، وضمان التشغيل الآمن للبطارية.

بأخذ بطارية الليثيوم أيون المعبأة الناعمة للمركبات الكهربائية ككائن ، يتم تنفيذ التصميم وتحسين المعلمة للوحة التبريد السائل ، ودراسة تأثير المعلمات المختلفة على أداء التبريد.

(1) تصميم وإنشاء النموذج الهندسي للصفيحة الباردة السائلة.دراسة مبدأ التسخين لبطاريات الليثيوم أيون وتحليل عملية نقل الحرارة.أكمل العمل الأولي لتصميم ومحاكاة هيكل لوح التبريد السائل الأولي.

(2) تم استخدام التصميم التجريبي المتعامد لتحسين الصفيحة الباردة.أخذ الحد الأقصى لدرجة الحرارة ، وأقصى فرق درجة الحرارة وفقدان الضغط كمؤشرات للتقييم ، ومعدل تدفق سائل التبريد (V) ، وعدد العدائين (N) ، وعرض العداء (W) ، وارتفاع العداء (H) ، ويتم تحديد أربعة مستويات مختلفة لتشكيل متعامد طاولة.باستخدام محاكاة ANSYS Fluent 16.0 لتحليل تأثير كل عامل على المؤشر بشكل شامل ، تم تحديد تركيبة المعلمات المثلى لتكون V = 0.3 م / ث ، N = 4 ، W = 6 مم ، H = 5 مم.من خلال المقارنة ، كان أداء التصميم الأمثل جيدًا من حيث أداء تبديد الحرارة وانخفاض الضغط ، بحيث كانت البطارية عند درجة حرارة معقولة وكان التدرج اللوني مناسبًا ، وتم الانتهاء من التصميم الأمثل.ومع ذلك ، لا يزال أداء العمل وأداء اللوح البارد في درجات الحرارة المحيطة القصوى الأخرى بحاجة إلى مزيد من الاستكشاف.

(3) بناءً على هيكل التصميم الأمثل ، يتم إجراء بحث على مخطط ترتيب اتجاه التدفق البديل ، ويتم استكشاف تأثير اتجاه التدفق على أداء تبديد الحرارة.وجد تحليل اختبار المحاكاة أن ترتيب اتجاه التدفق البديل يمكن أن يحسن توحيد درجة حرارة البطارية.يمكن تطبيق هذا الحل على أنواع جديدة من البطاريات التي تولد مزيدًا من الحرارة وتتطلب درجة حرارة أعلى في المستقبل.