基于STAR-CCM+的電動車液冷動力電池包熱管理仿真分析

王恒宇 羅棕貴 夏建新

摘 要：為提高動力電池包的溫度一致性，基于STAR-CCM+對其液冷板流場及電池包溫度場進行計算流體力學仿真分析。通過優化液冷板各匯流管管徑，減小了各板間的流量偏差，使得最大流量偏差為9%。進而分析電池包溫度場，結果表明，模組間最大溫差為2.2℃，優化匯流管管徑可以有效提高電池包的溫度一致性。

關鍵詞：動力電池;液冷;熱管理;溫度場

中圖分類號：O646.21? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-147-03

Simulation of Thermal Management of Liquid-cooled Power Battery Pack

for Electric Vehicle Based on STAR-CCM+

Wang Hengyu， Luo Zonggui， Xia Jianxin

（ Modern Automotive Co.， Ltd.， Shanghai 201100 ）

Abstract： In order to improve the temperature consistency of power battery packs， the computational fluid dynamics simulation analysis of the liquid-cooled plate flow field and the battery pack temperature field were performed based on STAR-CCM+. By optimizing the diameter of each manifold of the liquid cooling plate， the flow deviation between the plates is reduced， so that the maximum flow deviation is 9%. Furthermore， the temperature field of the battery pack is analyzed. The results show that the maximum temperature difference between the modules is 2.2°C. Optimizing the diameter of the manifold can effectively improve the temperature consistency of the battery pack.

Keywords： Power battery; Liquid cooling; Thermal management; Temperature field

CLC NO.： O646.21? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-147-03

前言

我國目前新能源汽車保有量為350萬輛，在未來十到二十年將逐步禁售燃油車，新能源汽車技術的研究與升級顯得尤為重要。而當前動力電池性能尚不能滿足行業發展的需求，對于電動汽車而言，如何精準地控制電池溫度是電池熱管理設計的重要指標，電池包內部模組需要在特定的電化學工作的最佳工作溫度范圍內進行充放電工作，過高或過低的溫度均會對電池產生不良影響，過高的電池溫度會縮短電池壽命，甚至導致電池泄露引發火災、爆炸危及人身安全，過低的溫度會降低電池活性，使電池無法正常充放電[1，2]。因此，研究動力電池包熱管理性能，保證模組的工作溫度始終在合理的范圍內，對于提高動力電池的性能以及電動車的續航里程與安全性具有重要意義。

為了提高動力電池性能，越來越多的國內外學者投入到電池熱管理性能研究工作。Jarrett等人[3]對液冷系統進行優化并探究不同冷卻液溫度對散熱效果的影響，發現電池最大溫度的控制往往會以溫差為代價，冷卻液溫度嚴重影響著電池溫度分布。江蘇大學徐曉明等[4]研究了以空氣和導熱膠兩種不同介質填充電池單體間隙對電池熱流、溫度場分布的影響，發現導熱膠對降低電池包溫升與均衡電池包溫度場方面有明顯作用。潘巍等[5]采用STAR-CCM+&AMEsim軟件聯合對液冷電池包進行熱管理仿真，分析流場和溫度場的分布情況，預測綜合工況下電池包模組的最高溫度和模組間溫差分布。安治國[6]等人建立了液冷散熱仿真模型，仿真結果表明采用矩形截面的冷卻管要比采用圓形截面冷卻管的冷卻效果好，并且液冷管的長寬比越大，電池組的最高溫度下降越明顯。

本文基于STAR-CCM+軟件對某款電動車的液冷電池包進行穩態仿真，優化液冷板的流量偏差，進而進行溫度場仿真，快速預測電池包熱管理系統性能。

1 模型簡介

本文以某款電動車的低配電池包為計算模型，該電池包共包含22個電池模組。該電池包采用的冷卻方式為箱體底部集成液冷系統，將所有液冷板放置于電池模組下部，通過導熱硅膠進行熱傳導。模組內部結構復雜，為了提高計算效率，不考慮電池內部結構，假設電池內部材料物理屬性相同，在相同方向上導熱系數相同。

2 液冷流場仿真

2.1 模型與求解設置

在進行溫度場仿真之前，首先對液冷板流場進行仿真及優化，提取尼龍管、液冷板的內表面，建立流場仿真模型，進口與出口延長200mm，在STAR-CCM+軟件中進行體網格劃分，采用多面體網格模型，生成兩層邊界層，邊界層總厚度為0.4mm，體網格數為1820萬，如圖1，進口為流量入口，流量為18L/min，出口為壓力出口，相對壓力為零。冷卻介質為50%的乙二醇水溶液。原方案匯流管徑由左往右分別為：8mm、9mm、10mm、9mm、10mm。

計算模型采用穩態計算模式，湍流模型選用k-ε模型，流體為恒密度不可壓縮流體。

2.2 仿真結果分析

對液冷板流場進行仿真求解，讀取液冷板每根口琴管流量大小，計算流量最小值與最大值的偏差，結果見表1，0表示該口琴管流量最大，原方案的最大流量偏差為36%，不滿足10%的目標值。靠近入口的匯流管流量最大，因減小靠近出口的匯流管管徑。為了使得口琴管間流量分配均勻，優化各匯流管的管徑，具體方案如表2。

優化后的計算結果見表3，通過調整匯流管管徑，方案3中各口琴管間最大的流量偏差為9%，滿足各支路流量分配的設計要求。

方案3液冷板及管路的壓力云圖與表面速度云圖如圖2和圖3所示，冷卻液的進出口壓降為29kPa，滿足設計需求，整個流場的流速分布均勻。

3 電池包溫度場仿真

3.1 模型與求解設置

建立電池包溫度場仿真模型，簡化電池包內部結構，省略對溫度場影響很小的螺栓、安裝孔、線束等零件，模組采用簡化模型，液冷板采用方案3的回流管管徑尺寸，如圖4所示。在STAR-CCM+軟件中進行體網格劃分，冷卻管路為多面體網格，尼龍管、導熱墊與液冷板為拉伸體網格，空氣域及其它零部件為切割體網格，冷卻管路生成兩層，其它計算域不設置邊界層，體網格數為2210萬。模組芯體等效模型的熱物性參數：密度為2200kg· m-3，比熱容為950J·kg-1·K-1，X與Y向導熱率為22.7W·m-1·K-1， Z向導熱率為3.82 W·m-1·K-1。其它電池包零件材料熱物性參數見表4。

計算模型采用穩態計算模式，湍流模型為k-ε模型，流體為恒密度不可壓縮流體。設置環境溫度為25℃，冷卻液溫度為15℃，22個模組總發熱量為2.2kW，為了簡化計算模型，將模組設置為體熱源，總發熱量均布在每個電芯內部。

3.2 仿真結果分析

根據上述計算模型及熱物性參數的設置，對電池包溫度場進行穩態流動傳熱仿真，模組溫度云圖如圖5所示。模組下表面靠近液冷板，溫度最低，最大溫度點在上表面中心，這是由于空氣自然對流傳熱的作用，使得模組周圍溫度低于中心溫度。對比不同模組的最高溫度可以看出，模組最高溫度的最小值出現在圖3中左下角的模組，即距離冷卻液入口最近的模組，最小值為45.4℃，而模組最高溫度的最大值出現在圖中靠近冷卻液出口一側中間位置的模組，最大值為47.6℃，這是由于流入口琴管4的冷卻液流量最小。由此得

出，22個模組的溫度偏差為2.2℃，溫度分布均勻，滿足最大溫差為3℃的目標值，保證了電池系統的安全性以及電動汽車足夠的續航里程。

4 結論

本文建立了動力電池包的液冷板仿真模型與整包溫度場模型，采用STAR-CCM+軟件進行了計算流體力學數值仿真分析，通過優化液冷板的回流管管徑，使得液冷板的流量偏差達到目標值，為電池包的設計提供了可靠的數據支持。溫度場仿真結果證實了流量分布均勻的液冷板可以有效地滿足溫度一致性，最大溫差為3℃。電池包的液冷板流場仿真與整包溫度場對動力電池包的熱管理具有重要指導意義。

參考文獻

[1] Wang D， Miao Q， Pecht M. Prognostics of lithium-ion batteries based on relevance vectors and a conditional three-parameter capa -city degradation model[J]. Journal of Power Sources， 2013， 239： 253-264.

[2] 嚴剛，李頂根，秦李偉.純電動汽車鋰離子電池成組熱效應分析[J]. 汽車工程學報， 2016， 6（5）： 313-317.

[3] Jarrett A， Kim I Y.Design optimization of electric vehicle battery? cooling plates for thermal performance[J]. Journal of Power Sources， 2011，196（23）： 10359-10368.

[4] 徐曉明，蔣福平，田晉躍，等.基于導熱膠散熱的電池包熱流場特性研究[J].汽車工程，2017，39（8）：889894，914.

[5] 潘巍，等.基于Star-CCM+&AMEsim聯合仿真的液冷電池包熱管理[J].電池工業，2018，22（6）：299-306.

[6] 安治國，丁玉章，劉奇，等.液冷管道對動力鋰電池組溫度場影響研究[J].電源技術，2018，42（06）：795-798.