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電池液冷板設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

2020-06-09 14:19:29·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  
　
在新能源汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，電池液冷板是保證電池正常工作的關(guān)鍵部件。電池高效持久的工作，要求其處在適宜的溫度范圍(25~45 ℃)，電芯間和模組間溫差均要小
在新能源汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，電池液冷板是保證電池正常工作的關(guān)鍵部件。電池高效持久的工作，要求其處在適宜的溫度范圍(25~45 ℃)，電芯間和模組間溫差均要小于5 ℃。液冷板的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：
①液冷板的冷卻液側(cè)流阻不能過(guò)大；
②保證液冷板表面的溫度均勻性。解決這2個(gè)難點(diǎn)主要依賴對(duì)液冷板內(nèi)部流道尺寸及流程布置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。
液冷板試驗(yàn)裝置的難點(diǎn)在于：
①對(duì)小換熱量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，解決該問(wèn)題要做好保溫措施，并采用精密測(cè)量?jī)x器；
②對(duì)發(fā)熱體表面多點(diǎn)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。筆者對(duì)液冷板做了4個(gè)設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)了試驗(yàn)工裝和臺(tái)架，進(jìn)行傳熱特性的試驗(yàn)研究。
1 電池包模型
筆者所述電池液冷板是為國(guó)內(nèi)某型混合動(dòng)力汽車用電池包配套設(shè)計(jì)。電池包額定工況下發(fā)熱量為1.32kW，整個(gè)電池包由4個(gè)電池模組構(gòu)成，每個(gè)模組各需要一塊液冷板，流道布置為2 路并聯(lián)，每路中各有2個(gè)液冷板串聯(lián)，其三維模型如圖1所示。
 
2 液冷板設(shè)計(jì)方案
 
 
 
 
參考目前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中防凍液回路的流阻，液冷板段的流阻最大約為25kPa，據(jù)此筆者將液冷板的最大設(shè)計(jì)流阻確定為12.5kPa。根據(jù)該電池包內(nèi)電池模組的尺寸，結(jié)合生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)4個(gè)液冷板方案(如圖2~圖5所示)，如表1和表2所示。
 
3 試驗(yàn)方案
3.1 試驗(yàn)臺(tái)架
 
如圖6所示，通過(guò)調(diào)節(jié)閥(6 和9)調(diào)節(jié)防凍液流量。48個(gè)熱電偶(11)用來(lái)測(cè)量均溫?zé)嵩?銅板)表面溫度。將液冷板放置于試驗(yàn)裝夾工裝(見圖7)中。所搭建的試驗(yàn)臺(tái)架如圖8所示。
 
 
3.2 試驗(yàn)裝夾工裝
 
圖9所示為試驗(yàn)裝夾工裝爆炸圖，硅膠墊位于液冷板和銅板之間；加熱片粘貼在銅板上，構(gòu)成均溫?zé)嵩?，代替電池模組發(fā)熱；零件1~5通過(guò)裝配螺栓(14)裝配在一起，試驗(yàn)時(shí)便于拆裝更換液冷板，并且零件1~5均加工有48個(gè)熱電偶孔，熱電偶穿過(guò)這些孔，插入銅板底部；通過(guò)通孔型力傳感器，可控制并測(cè)量施加在硅膠墊上的壓力。
3.3 試驗(yàn)參數(shù)
試驗(yàn)參數(shù)如表3所示，所列參數(shù)是針對(duì)單個(gè)液冷板為單個(gè)電池模組散熱給出的。
 
3.4 參數(shù)計(jì)算公式
銅板表面平均溫度(℃)計(jì)算如下：
 
式中ti 為熱電偶測(cè)得的溫度(℃)，i=1，2，3，…，48。
銅板表面溫差(℃)計(jì)算如下：
 
式中tmax和tmin分別為48個(gè)熱電偶測(cè)得的溫度中最大值和最小值(℃)。
溫度標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算如下：
 
對(duì)流換熱系數(shù)(W/(㎡·℃))計(jì)算如下:
 
式中：A 為液冷板上表面?zhèn)鳠崦娣e(㎡)；Δtm 為銅板表面與冷卻液間的對(duì)數(shù)平均溫差(℃)；ti和to分別為防凍液進(jìn)?出口溫度(℃)；K 為銅板與液冷板間的傳熱系數(shù)(W/(㎡·℃))。
4 試驗(yàn)結(jié)果分析
 
 
 
 
 
由圖10~圖14可知：
1)對(duì)比3#和4#液冷板，這2個(gè)液冷板流道寬度分別為20mm和65mm。3#液冷板的對(duì)流換熱系數(shù)高于4#液冷板30%。故液冷板流道寬度越窄，流體流速越大，可提高對(duì)流換熱系數(shù)。但流道寬度受工藝條件的限制，如吹脹式的最小寬度為28mm，沖壓式的最小寬度亦不能太小。
2)對(duì)比2#和1#液冷板，這兩者流道截面尺寸相同，流程布置不同，前者對(duì)流換熱系數(shù)比后者大圖12 銅板表面溫差曲線圖13 銅板表面溫度標(biāo)準(zhǔn)差曲線圖14 液冷板內(nèi)流阻曲線39%，但前者溫度標(biāo)準(zhǔn)差比后者小5%，這說(shuō)明2#液冷板既增強(qiáng)了換熱能力，又改善了溫度均勻性，故流程布置優(yōu)化設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)傳熱并改善溫度均勻性。
3)對(duì)比2#和4#液冷板，前者比后者對(duì)流換熱系數(shù)大37%，平均溫度降低0。8℃，表面溫差大17%，溫度標(biāo)準(zhǔn)差大13%。實(shí)際上，對(duì)流換熱系數(shù)反映整體縱向(沿板厚方向)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱，對(duì)流換熱系數(shù)越大，縱向?qū)崮芰υ綇?qiáng)；溫度標(biāo)準(zhǔn)差反映橫向(沿冷板表面方向)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱，其越小，橫向?qū)崮芰υ綇?qiáng)；當(dāng)對(duì)流換熱系數(shù)變大，縱向?qū)崮芰υ鰪?qiáng)時(shí)，橫向?qū)崮芰ο鄬?duì)減弱。故對(duì)流換熱系數(shù)較大的液冷板，平均溫度越低，其溫度均勻性越差。
 
由表1可見，從設(shè)備初投資角度分析，相對(duì)傳統(tǒng)電制冷系統(tǒng)，水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)增加了相關(guān)蓄冷設(shè)備，但水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組容量降低，且本項(xiàng)目中利用原工業(yè)遺存水渣池作為蓄水池，節(jié)省了蓄水池的投資。因此，相比傳統(tǒng)電制冷系統(tǒng)，水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)初投資有所降低。相比傳統(tǒng)電制冷系統(tǒng)，水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)每年制冷季運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省28.5萬(wàn)元，全生命周期運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省594萬(wàn)元。
5 結(jié)論
筆者基于工業(yè)遺存改造項(xiàng)目構(gòu)建了水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)合水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略，分析了非削峰釋冷與全削峰釋冷控制策略下冷源系統(tǒng)整個(gè)制冷季的逐時(shí)運(yùn)行能效與運(yùn)行費(fèi)用。
1)相比于非削峰釋冷策略，全削峰釋冷策略下的冷水機(jī)組選型偏大，且由于各時(shí)刻負(fù)荷差異顯著，冷水機(jī)組常處于較低負(fù)荷率下運(yùn)行，進(jìn)而影響冷水機(jī)組性能系數(shù)。
2)與傳統(tǒng)電制冷系統(tǒng)相比，非削峰釋冷策略下的水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)每年制冷季運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省28.5萬(wàn)元，全生命周期運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省594萬(wàn)元。
 
 
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