動力鋰電池組液冷散熱仿真

薛龍

摘要：本文在對于電池組散熱系統結構進行系統化分析的基礎上，基于流體動力學理論利用ANSYS軟件實現了電池組液冷散熱仿真，對于電池組在充放電過程中的溫度場分布有了較為清晰的認識，可在此基礎上不斷優化電池組散熱結構，以提升動力電池組的使用性能。

關鍵詞：動力系統；鋰電池；液冷；散熱；仿真

1 電池組散熱系統結構

電動汽車電池系統常用的散熱方式包括主動式及被動式冷卻，依據電池組散熱方式受外界干擾程度而分，其中，主動式冷卻基本不受外界環境條件影響，可依據實際散熱需求進行有效的散熱；被動式冷卻則受環境條件影響較大，目前常采用的散熱方式包括空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻等三大類。

其中，空氣冷卻包括串行通風以及并行通風兩種方式。兩種空冷方式的差異在于空氣掠過電池組的方式不同，串行通風中，冷空氣沿著流場方向帶走電池組熱量，而并行通風中，冷空氣平均分布于電池模塊組各流道，電池組散熱的均衡性更好，但電池組體積也進一步增大。目前，技術人員正在探索更加高效的散熱方式，如采用梯形及梅花型排列等以不斷增大電池組與空氣的接觸面積。

其次，液體冷卻采用的流體介質為液體，一般具有較好的導熱性能，通過液體介質與電池組間的熱交換作用達到降溫的目的。直接接觸冷卻方式對于冷卻液體的絕緣性要求較高，如礦物油等，通過冷卻液與電池模組的直接接觸可實現均勻性散熱，但冷卻液的黏度一般較大；間接接觸冷卻方式可采用導熱性能較好的介質如乙二醇等，通過冷板與電池模組隔開，冷板起到熱量傳輸作用，換熱效率相對提升，但同時散熱結構也更加復雜。因此液體散熱性能受流體的粘度、速度、熱導率及接觸方式等的影響。

2 動力鋰電池組液冷散熱仿真實驗

由于鋰離子電池在充放電過程中會產生大量的熱而導致電池溫度升高，電池溫度過高會嚴重影響其性能，因此，散熱系統的設計較為關鍵。以液體冷卻為例，通過計算機流體仿真模擬可預測在電池工作過程中溫度的分布情況，并進行有針對性的優化。

2.1 鋰離子電池模型

采用磷酸鐵鋰單體電池作為研究對象，其額定容量100Ah，額定電壓3.2V，最大瞬間放電電流800A，結構參數140*68*200mm。采用SolidWorks軟件進行電池單體三維幾何模型的設計，然后將所設計的三維模型導入ICEM CFD中進行網格劃分。由于在對于復雜幾何模型進行數值模擬時網格劃分質量起到關鍵性作用，因此本文對于結構簡單的鋰離子電池采用四面體網格進行網格劃分，電池內部和極柱的網格大小設置為1.8，殼體為1.2，可實現較高的網格精度，所建立的電池單體三維幾何模型以及網格劃分結構見下圖1所示，其中網格劃分總數為44863。

采用Fluent軟件進行電池組散熱性能的仿真分析可實現對溫度場分布和各流體介質流場的高效化分析，且通過UDF編程可進一步優化仿真過程，由于電池的生熱量在恒倍率充放電時是與歐姆內阻相關的函數，因此需通過在UDF中編程來定義變熱源。

文章對恒倍率充放電條件下的內阻進行擬合。通過內阻隨SOC變化的曲面圖及生熱速率計算得到生熱速率是以內阻為變量的函數表達式。將網格導入Fluent中進行求解器、邊界條件的設置，并編寫熱源程序。由于0℃～50℃內內阻變化率較小，故選用10℃和25℃下1C和1.5C的放電情況和0.3C和0.75C的充電情況進行仿真。

2.2 仿真結果分析

下圖2所示分別為25℃、1.5C放

電溫度場以及10℃、0.75C充電溫度場云圖，可發現充放電結束后中心區域的溫度最高，且溫度呈梯度變化。而極柱對池體生熱影響不大。

3 結論

電動汽車以其較好的環境友好性逐漸受到廣泛關注，有利于踐行可持續發展戰略。電動汽車的動力源為動力鋰電池組，相較于傳統能源型汽車其動力系統更加緊湊高效，且具有更好的環境友好性，可實現節能減排。主要問題即動力電池的散熱問題，散熱不良將導致電池表面溫度場分布不均，影響到系統的安全性能及效率，因此需做好散熱仿真工作，以不斷優化散熱結構。

參考文獻：

[1]李騰，林成濤，陳全世.鋰離子電池熱模型研究進展[J].電源技術，2009， 33（10）：927932.

[2]羅玲，宋文吉，林仕立，呂杰，陳永珍，馮自平.工作溫度對磷酸鐵鋰電池 SOC 影響及研究進展[J].新能源進展，2015，（01）：5969.