CC BY
45
Машиностроение к компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 11. С. 17-28.
Представлена в редакцию: 14.10.2017
© НП «НЭИКОН»
УДК 629.341
Расчетное определение гидравлической характеристики системы охлаждения тяговых батарей электробуса
Кувичка А.И. Бутарович Д.О.
ntonkmichkaig am ail-com 1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
В современном транспорте с электроприводом активно используются литий-ионные тяговые батареи. Достижение оптимальных выходных характеристик и длительного срока службы батарей обеспечивается поддержанием определённого температурного диапазона.
В статье описывается поэтапный расчет гидравлического сопротивления оригинальных элементов системы охлаждения батарей электробуса энергоемкостью 150 кВт^ч. Проводится сравнительный анализ влияния формы каналов радиаторов и схемы их подключения на гидравлическое сопротивление системы охлаждения.
Предложенный метод позволяет с помощью имитационного математического моделирования определить потребную мощность насоса системы охлаждения.
Ключевые слова: гидравлическое сопротивление, электротранспорт, имитационное моделирование, система охлаждения
Введение
Увеличение автотранспортных средств (АТС), использующих для движения электроэнергию в первую очередь зависит от характеристик устанавливаемых на них тяговых батарей: удельной энергоемкости и стоимости.
В качестве тяговых преимущественно используют литий-ионные батареи, обладающие большей плотностью энергии в сравнении с другими типами батарей. Например, никель-металл-гибридный (NiMH) аккумулятор обладает удельной энергоемкостью 75 Втч/кг и плотностью энергии 240 Втч/Л. В то же время литий-ионные аккумуляторы достигают значений 150 Втч/кг и 400 Втч/Л соответственно, что приблизительно в 2 раза больше [1].
К тяговым батареям транспортных средств предъявляются высокие требования и, несмотря на то что литий-ионные аккумуляторы по своим характеристикам являются более предпочтительными для применения в качестве тяговых батарей, есть ряд факторов,
ограничивающих их использование. Один из критических факторов - влияние температуры на выходные характеристики батареи. На рис. 1 изображены зависимости, отражающие влияние температуры батареи на её срок службы и емкость. Таким образом, можно сделать вывод о необходимости поддержания оптимального температурного диапазона при эксплуатации батареи. Увеличение температуры аккумуляторных ячеек происходит за счет увеличения температуры окружающей среды, и выделения тепла в самих батареях при их функционировании.
а 2000
Л
г
и
У
я
8 5 ——
■ г; ч™«^-*^ 1.Ишнншлпм1
^ * ЧРв 1ппК]шкЧ> \
* - / —............. 4 \
^ / \ _\
■40 О « вй
Температура батарея. Температур батареи. °С
а) б)
Рис. 1. Влияние температуры на характеристики батареи: а - на срок службы; б - на емкость
С целью поддерживать температурный диапазон аккумуляторных ячеек на современные АТС с электроприводом в состав тяговой батареи включают систему их термоста-тирования (рис.2), которая состоит из следующих основных элементов: электрического насоса, радиаторов охлаждения батарей, радиатора охлаждения рабочей жидкости и клапанов, регулирующих направление жидкости Одним их важных этапов проектирования системы термостатирования является определение гидравлического сопротивления системы и, соответственно, потребной напорной характеристики насоса. Как и на остальных этапах проектирования АТС с электроприводом в данном случае необходимо стремиться к снижению потребляемой мощности агрегатов.
Существующие аналитические методы расчета гидравлического сопротивления [5,6] основаны на эмпирических зависимостях и используются только для расчетов типовых конфигураций трубопроводов. Проведение физических испытаний на стадии проектирования и выбора формы и размеров сечений элементов системы термостатирования требует больших затрат времени и материальных средств. Поэтому на начальных стадиях разработки таких систем рациональной заменой натурным экспериментам может послужить численное моделирование движения рабочего тела в трубопроводе.
В данной работе проводился расчет гидравлической характеристики радиаторного блока системы термостатирования батарей электробуса с использованием имитационного математического моделирования контура системы охлаждения в целях определения потребной характеристики насоса.
Рис. 2. Модульный батарейный блок с системой терморегуляции Chevrolet Volt
Описание объекта исследования
Основное гидравлическое сопротивление потоку рабочей жидкости (на основе эти-ленгликоля) оказывают каналы в радиаторах, устанавливаемых в корпус каждой батареи. Таким образом, при проектировании системы охлаждения и компоновке ее элементов необходимо уделять внимание организации течения потока внутри радиатора. Для сравнения в работе проводился расчет и анализ двух форм внутренних каналов радиаторов (рис.
3).
Рис. 3. Твердотельные модели радиаторов с различной формой внутренних полостей: а - радиатор №1; б -
радиатор №2
Учитывая то, что блок батарей на АТС состоит из определённого числа аккумуляторных ячеек, необходимых для обеспечения требуемой энергоемкости, необходимо подвергать анализу и схему подключения радиаторов. Можно выделить две основные схемы подключения элементов системы охлаждения - последовательное (рис. 4, а) и параллельное (рис. 4, б).
б)
Рис. 4. Схемы подключения основных элементов системы охлаждения: а - последовательное подключение;
б - параллельное подключение
Гидравлическая характеристика радиатора
Определение гидравлической характеристики проводилось с помощью численного моделирования в программе ANSYS CFX. Данный программный комплекс позволяет проводить расчет задачи движения жидкости путем решения системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, называемых уравнениями Навье-Стокса: уравнение движения (1), уравнение теплопроводности (2), уравнение непрерывности (3).
V • V) У = + V- Рд Т; (1)
^ + (V • V) Т = /Л Т ; (2)
й ш (V) = 0 , (3)
где V - вектор скорости, ДP - изменение давления, ДT - изменение температуры, V - коэффициент кинематической вязкости, р - гидростатическое значение плотности, х=к/(срр) - коэффициент температуропроводности, к - коэффициент теплопроводности, ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении.
При создании физической модели течения жидкости в радиаторе в АКБУБ СБХ необходимо создать область движения рабочей жидкости (рис.5). Для корректного описания движения жидкости в пограничном слое (пристеночной области) необходимо уменьшать размер конечных элементов. Измельчение сетки выполнено в виде слоев с призматическими элементами (рис.6). При расчетах использовалась модель турбулентности к-е.
Рис. 5. Область движения рабочей жидкости
Рис. 6. Фрагмент конечно-элементной модели рабочего тела
В входном сечении устанавливалось граничное условие типа Inlet (Вход) и задавался массовый расход жидкости, в выходном сечении - граничное условие Outlet (Выход) и статическое нулевое давление. На стенках задано граничное условие типа Wall (Стенка) с учетом трения в пристеночной области (рис. 7).
0 FHoiv Rjegra в
Op Сап l^imMc * Opton :Sli№nC T
AM Mflnfllliifi в Мая Am) Mffnpiti/i; a
Optwi HUS fTis-- "itf: . JWCf StltK-PrEKJje »
M«t Fkw Rate Rttali. * Ргеин e a pal
fti Sflesfi«! -1 fra. imfli Blend Cl.DS
e Press!« Аунэдпа в
Op ton ho-mjl m Вы*!» r tend йот OpSon | rtvereg! Ati« Outiet
nJerie a Ti^irtJjTipTV IVjiei ni 0
Op ton НмЬЛП (titolSTT -SSj T: Equaca^ ufi-j* в
H-sst. ind MjewULUt в Htm 4m !« 6? 13 r*J - li
Cfcifan № i» Wsl - 1UIM p^ffl'-i
Wtfetoatr VMlttajgftwj в a Ti*na3Di r ^ooe-ties В rtusmr a
ЦЙГ *1
ОСФеп Snua-ihWa*
DimittoK) в.ЙИЁ-Ч Peg m J
Рис. 7. Задание граничных условий и параметров рабочего тела в ANSYS CFX
Гидравлическое сопротивление радиатора определялась как разность давлений на входном и выходном сечении (4) для различных значений расходов.
АР = Pin-Pout, (4)
где ДР - потери давления в радиаторе, Pin - давление во входном сечении, Pout - давление в выходном сечении.
На рис. 8 представлены результаты расчетов двух форм внутренних полостей радиаторов для расхода 1,5 м /час в виде распределения скоростей в сечении радиатора. Анализируя результаты расчета можно отметить, что форма радиатора №2 характеризуется более равномерным распределением скоростей, а также меньшими локальными значениями скоростей, которые при данном расходе меньше примерно в два раза. Такой способ расположения внутренних полостей радиатора №2 позволяет снизить потери давления в нем.
Результаты расчетов гидравлических потерь в радиаторе в диапазоне рабочих значений расходов представлены на рис. 9. Также на рисунке представлены напорно-расходная характеристика предполагаемого к установке насоса и зависимость его КПД от расхода.
Рис. 8. Распределение скоростей в сечении радиатора при расходе 1,5 м3/час: а - радиатор №1;
б - радиатор №2
Анализ расчетных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что рабочая точка (точка пересечения гидравлических характеристик радиатора и насоса) радиатора №2 располагается в правой части напорно-расходной характеристики насоса. Такое положение рабочей точки является более благоприятным, т.к. остаётся запас по напору в системе охлаждения для установки вспомогательных элементов вносящих дополнительное сопротивление потоку жидкости в контуре (трубопровод, соединительная арматура и т.д.). Рабочая точка радиатора №1 находится в зоне неблагоприятной работы насоса (зона максимального давления). Кроме того, при включении в контур охлаждения с таким радиатором
дополнительных элементов с местным сопротивлением рабочая точка окажется в области низких значений КПД насоса.
В результате расчётного исследования была определена оптимальная форма радиаторного блока исходя из минимальной потребной мощности насоса.
Расход, мЗ,*чиб
Рис. 9. Гидравлическая характеристика насоса и радиаторов
Математическая модель контура системы охлаждения
Имитационное математическое моделирование в данной работе проводилось в качестве поверочного расчета с помощью модуля SimHydraulics MATLAB-Simulink.
При разработке математической модели (ММ) контура системы охлаждения приняты следующие допущения:
- инерция жидкости не учитывается;
- рабочее тело считается несжимаемым;
- влияние температуры рабочего тела не учитывалось;
- переход между ламинарным и турбулентным режимами происходит мгновенно в момент Re=ReкP,
где Re - число Рейнольдса, ReкP - критическое число Рейнольдса, определяющее момент перехода от ламинарного течения к турбулентному.
Модуль физического моделирования SimHydraulics позволяет составлять ММ физических систем на основе фундаментальных блоков из различных инженерных сфер деятельности: механических, гидравлических, электрических и др.
Математическая модель, имитирующая систему охлаждения батарей электробуса, представлена на рис. 10. Данная модель включает в себя основные элементы системы ох-
лаждения батарейного блока: насос, система радиаторов, соединительные элементы и трубопровод.
Рис. 10. Математическая модель системы охлжадения батарей в МЛТЬЛВ-81шиИпк Результаты моделирования представлены на рис.11.
| 1
с.
5
<5
§
с -
О 5
1 — Радиатор 2 — Характеристика насоса * * Рабочая точка I * * Рабочая точка 2 .....кпд
\ \ X N \ \ V,
' ■ ' Л 1 \ \ \ Ч \ \ 1
и. Я
м б
о о
г
я
п ;
Расход, мЗ.час
Рис. 11. Гидравлическая характеристика насоса и контура системы охлаждения
На графике отмечены две рабочие точки:
Рабочая точка 1 - гидравлическое сопротивление системы при параллельном соединение радиаторов.
Рабочая точка 2 - гидравлическое сопротивление системы при последовательном соединение радиаторов.
Смещение рабочей точки 1 относительно точки пересечения гидравлической характеристики радиатора с напорной характеристикой насоса объясняется учетом потерь в соединительных элементах и трубопроводах. На основании результатов расчета можно сделать вывод о необходимости использования параллельной схемы подключения радиаторов, при которой насос работает в области больших расходов при относительно небольшом давлении.
Заключение
Рассмотренный расчетный метод, основанный на численном моделировании позволяет определять гидравлическую характеристику элементов системы охлаждения с различными геометрическими конфигурациями. Использование этого метода на стадии проектирования позволяет достаточно точно определить потребную мощность насоса системы охлаждения батарей.
При проведении данной работы, выполненной при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках договора № ДН01/0001/216/15 между ООО «ЛиАЗ» и МГТУ им. Н.Э. Баумана была установлена потребная мощность насоса для батарейного блока энергоемкостью 150 кВтч.
Список литературы
1. Bandhauer T.M., Garimella S., Fuller T.F. A critical review of thermal issues in lithium-ion batteries. Режим доступа: http://jes.ecsdl.org/content/158/3/R1.full.pdf (дата обращения 06.06.2017).
2. Kim E., Jinkyu Lee, Kang G. Shin. Real-time battery thermal management for electric vehicles. Режим доступа: https://kabru.eecs.umich.edu/papers/publications/2014/main_btm.pdf (дата обращения 06.06.2017).
3. Смирнов А.А., Пикалов Н.А. Определение потребной энергоемкости накопителей электробуса методами имитационного моделирования // Инженерный вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журнал. 2016. № 12. С. 43-52. Режим доступа: http://engsi.ru/doc/851764.html (дата обращения 06.06.2017).
4. Травников А.Н., Бутарович Д.О. Особенности проектирования систем охлаждения современного транспортного тягового электропривода // Инженерный вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журнал. 2017. № 1. С. 1-9. Режим доступа: http://engsi.ru/doc/855915.html (дата обращения 06.06.2017).
5. Никитин О.Ф. Гидравлика и гидропневмопривод: учеб. пособие. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. 430 с. Режим доступа:
http://ebooks.bmstu.ru/catalog/106/book1068.html (дата обращения 15.10.2017).
6. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник / Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. 4-е изд. М: Альянс, 2010. 422 с.
7. Руппель А.А., Сагандыков А.А., Корытов М.С. Моделирование гидравлических систем в Matlab: учебное пособие. Омск: СибАДИ, 2009. 172 с. Режим доступа: http://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/734/79734/60173 (дата обращения 06.06.2017).
Mechanical Engineering & Computer Science
Mechanical Engineering and Computer Science, 2017, no. 11, pp. 17-28.
Received: 14.10.2017
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru © NP "NEICON"
Estimated Hydraulic Resistance of Electric Bus Battery Cooling System
A.I. Kuvichka1'*, D.O. Butarovich1 ' ntonlamchkaffgmail.com
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: hydraulic resistance, electric transport, mathematical simulation, cooling system
Modern electric drive transport largely uses lithium-ion battery packs. Maintaining a certain temperature range allows us to reach optimal output characteristics and long battery life. To perform this task, it is necessary to include a thermostatically controlled system in the battery pack, consisting of an electric pump and radiators to cool the batteries and fluid. One of the stages in development of a thermostatic system is to estimate the pressure head required for the pump, which depends on the hydraulic resistance of the system.
The modular battery pack of an electric bus with an energy capacity of 150 kWh was used as the object of research. The article describes the stepwise calculation of the hydraulic resistance of a radiator using numerical simulation in the software complex Ansys CFX, and also concerns the calculation features of the fluid flow in the pipe. Carries out a comparative analysis to study the influence of the radiator channel shape on the hydraulic resistance on the basis of which an optimal shape of the channels is proposed to provide less resistance for the fluid flow. A mathematical model of the thermostatically controlled system of batteries was developed to determine the required characteristic of the pump. The presented model allows simulation of various schemes to connect the elements of the cooling system of batteries. As a result of calculations it has been found that it is necessary to use a parallel scheme of radiator connection, which provides minimum hydraulic resistance of the system.
The proposed calculation method allows us to determine the hydraulic characteristics of the cooling system components at design stage and, subsequently, using the simulation, to calculate the required pump characteristic.
References
1. Bandhauer T.M., Garimella S., Fuller T.F. A critical review of thermal issues in lithium-ion batteries. Available at: http://jes.ecsdl.ors/content/ 158/3/R 1.full.pdf, accessed 06.06.2017.
2. Kim E., Jinkyu Lee, Kang G. Shin. Real-time battery thermal management for electric vehicles. Available at: https://kabru.eecs.umich.edu/papers/publications/2014/main_btm.pdf, accessed 06.06.2017.
3. Smirnov A.A., Pikalov N.A. The definition of necessary consumption drives the bus with simulation methods. Inzhenernyj vestnik MGTU im. N.E. Baumana [Engineering Bulletin of the Bauman MSTU], 2016, no. 12, pp. 43-52. Available at: http://engsi.ru/doc/851764.html, accessed 06.06.2017 (in Russian).
4. Travnikov A.N., Butarovich D.O. Specificities of engineering of cooling systems of up-to-date transport traction electric drive. Inzhenernyj vestnik MGTU im. N.E. Baumana [Engineering Bulletin of the Bauman MSTU], 2017, no. 1, pp. 1-9. Available at: http://engsi.ru/doc/855915.html, accessed 06.06.2017 (in Russian).
5. Nikitin O.F. Gidravlika i gidropnevmoprivod [Hydraulics and hydropneumatic drive]: a textbook. 2nd ed. Moscow: Bauman MSTU Publ., 2012. 430 p. Available at: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/106/book1068.html, accessed 06.06.2017 (in Russian).
6. Gidravlika, gidromashiny i gidroprivody [Hydraulics, hydraulic machines and hydraulic drives]: a textbook / Bashta T.M., Rudnev S.S., Nekrasov B.B. a.o. 4th ed. Moscow: Al'ians Publ., 2010. 422 p. (in Russian).
7. Ruppel' A.A., Sagandykov A.A., Korytov M.S. Modelirovanie gidravlicheskikh system v Matlab [Modelling of hydraulic systems in Matlab]: a textbook. Omsk: SibADI Publ., 2009. 172 p. Available at: http://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/734/79734/60173, accessed 06.06.2017 (in Russian).
