電気自動車用リチウム電池用の液体コールドプレート設計

デザインする 水冷プレート 電気自動車のソフトパックリチウム電池用。決定された内部チャネル方向と直交テスト設計法に基づいて、CFD ソフトウェアを使用して、冷却剤流量 (V)、ランナー数 (N)、ランナー幅 (W)、およびランナー高さ (H) の影響を調査および分析します。 ）液冷プレートの放熱性能と圧力損失性能について。最適化された液体構造 冷却プレート 実験計画とシミュレーション計算の結果を通じて決定され、それに関連する性能がテストされます。結果は、バッテリーが妥当な温度範囲にあり、構造が最適化された放熱状態で優れた温度勾配を示し、最適化が完了したことを示しています。最適化の結果に基づいて、交互の流れ方向の配置を研究し、流れ方向が液体の作動性能に及ぼす影響を検討しました。 コールドプレート 分析されます。この比較は、代替フロー方式の使用によりバッテリーの動作温度環境が改善されることを示しており、これはバッテリーの液冷プレートの設計の参考になります。

バッテリーの熱管理は Winshare Thermal の常に注目のトピックであり、空気、液体、相変化材料 BTM に分かれています。Air BTM にはコストと構造上の利点があります。しかし、空冷ではバッテリーセルの温度勾配を効果的に制御できないだけでなく、バ​​ッテリーの熱暴走などの極端な条件にも対処できないことが研究で判明しています。BTM は相変化の潜熱によって機能するため、現在は理論研究に限定されていますが、商業的には広く使用されていません。液体BTMは、高い熱伝達率、大きな放熱性、コンパクトな構造などの利点から、近年広く採用されています。多数の実験とシミュレーションにより、液体冷却には空冷に比べて明らかな利点があることがわかりました。

マイクロ流路を内蔵したクランプ式液冷プレートはパウチバッテリー用に設計されています。バッテリ情報とモジュールのレイアウトを表 1 と図 1 に示します。

コールドプレートの表面サイズはバッテリーと同じで、厚さは10mm、材質はアルミニウム合金です。中央の基本管路の方向と相対位置を保ち、2mm間隔で管路の本数を増やしていきます。各並列パイプラインの長さは同じで、中心は対称であるため、フォローアップの流れ方向の調査作業を簡素化するのに役立ちます。

リチウム電池の自己発生熱には、内部反応熱、分極内部抵抗熱、オーム内部抵抗熱、副反応熱が含まれます。対象電池の発熱は主にオーム内部抵抗熱であるため、オーム内部抵抗熱は総発熱量として近似的に簡略化されます。設計上の動作条件は、バッテリーが 27°C で 100% の SOC から 2C のレートで放電されることです。

シミュレーションモデルは主にANSYS Fluent16.0をベースに構築されています。シミュレーションの境界条件は、初期周囲温度 300 K です。冷媒の入口ポートは流量入口条件であり、温度は周囲温度と一致しています。出口ポートは圧力出口状態となり、戻り圧力は0kPaとなります。バッテリーの発熱を表す2面を除く他の面は断熱壁として設定されており、熱流束は0になります。

冷媒流量 (V)、ランナー数 (N)、ランナー幅 (W)、ランナー高さ (H) の 4 つのパラメーターをさまざまな組み合わせでシミュレーションします。最高温度、最大温度差、圧力損失を評価指標とします。コストと計算効率を考慮して、理想的な結果を達成するために、実際に広く使用されている直交実験計画が採用されています。

妥当な範囲内で 4 つの因子を使用すると、直交表が構成されます。この表に従って、各要因の水準をテストして、各要因が指数に与える影響や要因間の相互作用を調べ、最適な組み合わせを見つけます。評価指標は最高温度、最大温度差、圧力損失を採用し、放熱性と油圧性能を特徴づけます。最高温度と最大温度差は、定常状態におけるバッテリー表面の最高温度と範囲を指します。圧力損失は、この瞬間のコールドプレートの入口と出口の間の圧力差です。

冷却性能に及ぼすランナーの数の影響を独自に研究するには、他の 3 つの要素を維持しながら、ランナーの数を変更しても冷却剤の流れに影響を与えません。一般的なランナー幅の検討とは異なり、実際のランナー幅は次の式で表されます。

表 2 に示すように、ランナー幅の列では、前のデータはランナー係数のさまざまなレベルであり、後ろの括弧内のデータは実際のランナー幅です。

図 2 の 4 つのシミュレーション結果は、最高温度、平均温度、圧力損失の標準偏差変動が 2% 未満であることを示しています。より正確な結果と表面温度分布を得るために、251193 個の要素を持つ格子がシミュレーション用に選択されます。

表 2 から、16 グループのコールド プレートをシミュレーションして比較する必要があることがわかります。最高温度、最大温度差、圧力損失のデータを比較すると、No.16の設計がバッテリーの最高温度を最も低くすることができ、No.14の設計が最小の温度差を実現し、No.3の液体が低温であることがわかります。プレートの圧力損失が最小です。

また、各指標の平均値や平均範囲を分析することで、利用可能な要因が対応する指標に及ぼす影響度を求めることができます。図 3 は、さまざまな要因の下での各指標の平均値の極端な違いを示しており、Rx (x=a、b、c) は 3 つの指標に順番に対応します。解析結果から、流路数を変更することでコールドプレートの最高温度の制御を向上させることができ、流量を変更することで最大温度差Tの制御も実現できると結論付けることができます。_違い と圧力損失P_損失.

図4は、因子レベルの変化に伴う各指標の変動を示しています。図の横軸は値の順にソートされています。図に示すように、最高温度は冷媒流量、ランナー数、ランナー幅の増加とともに単調減少します。分析結果は、最高温度指数については、ランナーの数と流量が主な要因であることを証明できます。流量が増加すると圧力損失が急激に増加しますが、流路幅を広くすることで改善できます。

優れたパイプラインレイアウトスキームと冷却剤の物理的特性に基づいて、各要因の温度差データが2K未満であり、良好な均一性を示していることは言及する価値があります。圧力損失の要因は相互に相殺する効果があります。したがって、最適化設計において、各因子のレベルを選択する際の指標の基準順序は、最高温度、圧力損失、最大温度差とする必要があります。

要約すると、本論文で採用した最適化されたレベルの組み合わせは、V=0.3 m/s、N=4、W=6 mm、H=5 mm であり、最適と名付けられています。図5は最適化と他の16グループの構造シミュレーションにより得られた最高温度、最高温度差、圧力損失などのデータ比較です。最適化された構造の放熱作用により、バッテリー表面の最高温度と温度差は両方ともバッテリーの適切な動作範囲内に収まります。最適化された構造は圧力損失の中間ですが、その値は 5 kPa 未満であり、それでも妥当な範囲内にあります。指数比較後、最適な構造によりバッテリーの最高温度が妥当な範囲内に維持され、温度勾配が小さくなります。同時に、電圧降下に関して現在のエンジニアリング分野での実際のアプリケーション要件も満たします。したがって、直交試験設計手法を使用した水冷プレートの設計最適化の効果は理想的です。現在の設定では、周囲温度が 300K の場合の動作パフォーマンスのみが考慮されており、他の極端な動作条件についてはさらに検討する必要があります。

コールドプレートの構造を最適化することによって冷却性能に及ぼす流れの方向の影響を研究し、流れの方向を交互に配置するスキームの実用化を検討します。

16 の代替流れ方向スキームの比較から、入口流量が一定の場合、代替流れ方向スキームの使用によりバッテリー温度の均一性がある程度向上しますが、極端な温度変化は小さいことがわかります。

その理由は次のとおりです

(1) 一部のパイプラインの流れ方向を変更することで、入口と出口の設定に起因するバッテリー温度の不均一性を改善します。流量が一定の場合、単位時間当たりに熱交換に関与する冷媒の量は変化しません。冷却剤の物理的特性により、代替ソリューションでは絶対的な放熱能力を向上させることができないため、極端な温度に対する効果は限定されます。

(2) 上記構造の最適化により、有効放熱面積が向上し、冷却性能が向上しました。交互方式を採用することにより、極端な温度の改善は明らかではありませんが、温度差の改善は比較的明らかです。

(3) 液冷板自体の構造によりバッテリーの温度差を理想的な範囲に収めることができますが、比較により最適なケースを見つけることができ、初期ケースの温度均一性が約20％向上しました。

実験データと温度条件を通じて、二重管逆流の代替スキームがバッテリー表面の温度均一性を改善できることがわかりました。クランプコールドプレートの交互配置スキームはグループ化に役立たないことを考慮して、この最適化スキームは代替スキームを使用する代わりに元の流れの方向を維持します。代替スキームの探索的実験のために、液冷プレートの最適化の方向性が提供されます。大型バッテリーの場合、交互の流れ方向スキームはセルの均一性を改善できるスキームであり、より優れたバッテリーを提供できます。 バッテリーの熱管理 ブレードバッテリーなどの長いストリップバッテリーに適しており、バッテリーの安全な動作を保証します。

電気自動車のソフトパックされたリチウムイオン電池を対象として,液冷プレートの設計とパラメータの最適化を実行し,冷却性能に及ぼすさまざまなパラメータの影響を研究した。

(1) 液体冷却プレートの幾何学的モデルを設計および確立します。リチウムイオン電池の加熱原理を研究し、熱伝達プロセスを分析します。初期の液体冷却プレート構造の設計とシミュレーションの準備作業を完了します。

(2) 直交実験計画を使用してコールド プレートを最適化しました。最高温度、最大温度差、圧力損失を評価指標として、冷媒流量（V）、ランナー数（N）、ランナー幅（W）、ランナー高さ（H）と4つの異なるレベルを選択して直交関係を形成します。テーブル。ANSYS Fluent 16.0シミュレーションを使用して各要因が指数に与える影響を総合的に分析した結果、最適なパラメータの組み合わせはV=0.3m/s、N=4、W=6mm、H=5mmと決定されました。比較の結果、最適化設計は放熱性能と圧力損失の点で優れており、バッテリーが適切な温度になり、勾配も適切になり、最適化設計が完成しました。ただし、他の極端な周囲温度でのコールド プレートの動作性能と性能については、さらに調査する必要があります。

(3) 最適化された設計構造に基づいて、流れ方向交互配置方式の研究を行い、流れ方向が放熱性能に及ぼす影響を調査します。シミュレーションテスト分析により、流れ方向を交互に配置することでバッテリーの温度均一性が向上することがわかりました。このソリューションは、将来的により多くの熱を発生し、より高い温度均一性が必要となる新しいタイプのバッテリーに適用できます。