基于CFD的電動汽車鋰電池包內部流場模擬及其結構優化設計

黃芳芳，宋開通，吳亞東

（奇瑞新能源汽車技術有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引 言

鋰離子電池作為動力源，在整車充、放電工況下均產生大量熱量，造成風冷電池內部電池單體溫度的升高和單體電池間的溫差，大大降低了電池性能，甚至嚴重影響電池的使用壽命和整車安全[1]。因此，需建立電池內部流場的理論模型，基于數值模擬技術分析電池包在充、放電過程中的流場分布，預估電池包的散熱性能，優化電池包的散熱結構，以提高風冷電池包的使用性能和循環壽命[2]。由于CFD可靠性的不斷提高[3]，它被廣泛應用于研究流體機械流場問題領域。本文基于CFD對風冷電池包的內部流場進行理論模型的建立與數值模擬，并根據數值模擬的結果提出優化方案。

1 鋰電池包流場數值模擬

1.1 控制方程

風冷鋰電池包的內部散熱基本依靠強迫對流換熱。當前，解決強迫對流換熱的主流方法為k-ε湍流模型，ε表示耗散率，k表示湍動能。本文運用k-ε湍流模型進行鋰電池包的內部流場仿真，并采用描述固體導熱的控制方程、能量方程、動量方程、流體連續方程、ε方程及k方程等進行數學建模。

內熱源導熱控制方程：

能量方程：

動量方程：

湍動能k和耗散率ε的方程為：

式中：ρ為氣體密度；t為時間；ui、uj、uk分別為三個方向上流體的平均速度；xi、xj、xk分別為三維直角坐標系方向上的分量；T為溫度；μ為粘性系數；cρ為比熱容；k為流體的傳熱系數；μt為湍動粘度；Gk是由于平均速度梯度產生的湍動能；C1ε和C2ε為經驗常數1.44和1.92。

1.2 幾何模型

三元鋰離子電池包內部CFD仿真分析的前提條件是建立完善的數學模型。本文的建模對象為國內新能源汽車公司開發的新款純電動汽車的一種三元鋰電池系統總成。天能電池公司生產的單體電池容量為2.2 Ah。電池系統總成由24個電池單體串并聯組成，電池單體的尺寸為340 mm×128 mm×74.5 mm，電池殼體厚度為3 mm，電池包的尺寸為1 326 mm×1 253 mm×233 mm。電動沿著向右的方向行駛，并依據車輛運行工況，具體計算作用在電池系統總成上的風速。

1.3 網格模型

三元鋰電池系統總成的物理模型形成后，基于處理軟件（ICEM-CFD）對物理模型進行網格劃分。計算域是選定電池包殼體、進風口以及出風口圍成的區域。電池包內部網格模型如圖1所示，面網格數為9.8×105，體網格數為1.71×106，進口邊界采用質量流量入口，出口邊界采用壓力出口，入口邊界和出口邊界延長300 mm。

圖1 電池包內部網格模型

1.4 模擬分析

三元鋰電池系統總成的邊界條件設定如下：進風口邊界運用質量流量入口，質量流量為0.021 55 kg/s；出風口邊界運用壓力出口，壓力為0.5 MPa；其余邊界為固體壁面邊界條件。

模擬計算中作出如下假設：流動過程僅考慮已穩定后的狀態；過濾過程視為常溫下的流動；忽略顆粒物對模擬的影響；忽略重力對模擬的影響。

計算基于不可壓縮流動的標準k-ε湍流模型，運用求解壓力耦合方程組的半隱式方法進行離散方程的求解。此文，動量方程與連續性方程的收斂殘差標準均取值0.000 1。

2 仿真結果及分析

電池包內部管道速度分布云圖，如圖2所示。上部風速較下部風速大；對應橫向部分離中央垂直通風管道越遠，風速越大。

圖2 電池包內部管道速度分布云圖

由圖2可知，電池包左右流量分配對稱；需重點關注對應橫向部分靠近中央垂直通風管道的電池組，以防止高溫；內部通風管道結構存在大量能量損失，有待優化。

3 結構改進及流場仿真

根據模擬結果，調整電池包內部通風管道結構，分別優化中央通風管道出口和三個同風分支管道出口，以保證各分支管道出口放入流量保持在相對一致的水平。

改變中央管道與支管的連接口大小，并進行了10輪優化。表1為部分統計表，已將圖標重點額流量乘以10 000，出風口的流量接近平均流量6.6，滿足要求。

圖3為電池包內部通風管道經過10輪優化后的全局流線圖。可知，各出口流量分配已基本保持一致，第二排管道靠近中央的左右第一個管道（編號211出口、編號221出口）流量已大幅提升至0.000 5 kg/s，接近平均值0.000 66 kg/s，滿足設計要求。

表1 10輪優化的各出風口流量統計表

圖3 全局流線俯視圖

4 結 論

采用CFD方法對電池包內部通風管道流場進行建模和數值分析，同時仿真了多種參數的分布云圖和全局流線圖。分析流場的速度云圖，提出了使電池包流場均勻的優化方案。通過電池包內部通風管道結構優化，各出風口流量分配已基本保持一致，接近平均值0.000 66 kg/s，滿足設計要求，減少了能量損失，延長了電池的使用壽命。