某純電動乘用車電池包液冷系統設計及熱仿真分析

楊樂樂，劉海羅，信召峰，安占旺，劉帥

（力神動力電池系統有限公司，天津 300384）

引言

隨著國家對電動汽車的大力支持，純電動汽車在逐漸全面推廣。車企和消費者對電動汽車有長續航、高安全、長壽命和低價格的要求。液冷系統在電池系統中起到重要作用。鋰電池的最佳工作溫度范圍為25 ℃～40 ℃，溫度過高或過低會導致電池安全問題，降低電池使用壽命[1]。某電動客車應用液冷系統，通過熱仿真分析，電池的最大溫升可以控制在10 K以內，通過增大冷卻液流量可以提高電池的散熱能力[2]。在軟包電池上應用液冷系統，通過熱仿真分析優化液冷板肋條高度，提升電池溫度的均勻性[3]。研究人員設計了鋁板/相變材料/液冷相結合的新型散熱結構，并通過熱仿真優化并確認此結構能夠較好地控制電池的溫度均勻性和有效性[4-5]。

在兼顧高能量與高安全的同時，本文設計一款底部集成液冷板的電池箱，并應有高能量密度的軟包電池。在液冷系統管理下，提高電池的安全性。應用FLUENT仿真軟件對液冷系統的壓力場進行分析，在1 C放電倍率下，對電池系統的溫度場分析，保證設計的可靠性。

1 數值模擬

1.1 數學模型的建立

本文采用半經驗公式標準的k-ε模型，主要是基于湍流動能和擴散率。k方程是一個精確方程，ε方程是一個由經驗公式導出的方程。k-ε模型假定流場完全是湍流，分子之間的黏性可以忽略。因此標準k-ε模型只對完全是湍流的流場有效，方程如式（1）和式（2）所示。

式中，Gk為由層流速度梯度而產生的湍流動能，Gb為由浮力產生的湍流動能，Yk為由于在可壓縮湍流中過度擴散而產生的波動，cε1、cε2、cε3為常量，σk和σε為k方程和ε方程的湍流Prandtl數，Sk和Sε是用戶定義的。

1.2 物理模型

本文采用CATIA對電池系統進行三維建模如圖1所示，液冷板三維模型如圖2所示，流體域模型如圖3所示。電池系統由4個2P24S模組串聯而成，電芯為軟包電芯，液冷板是沖壓釬焊形式，液冷板集成在下箱體底部，液冷板與下箱體框架攪拌摩擦焊接，模組與液冷板之間設有導熱膠，確保模組與液冷板接觸良好。液冷板底部還設有隔熱保溫墊，整個箱體為鋁材質，冷卻液選用乙二醇防止冬季液體凝固。

圖1 電池系統結構示意圖

圖2 液冷板結構示意圖

圖3 流體域結構示意圖

1.3 網格劃分

由于電池系統結構復雜，網格劃分難度較大，為了便于計算需要對電池系統進行簡化，這里對發熱量相對較小的零部件忽略不計，刪除系統中的圓倒角，因此整個動力電池冷卻系統需要考慮的零部件包括：電池箱側壁和模組底部的熱管理系統。系統采用多面體網格劃分方式，劃分后模型網格總數為11 090 158，內部水流模型設置邊界層為2，網格質量為0.88，網格劃分如圖4所示。

圖4 網格劃分

本文采用skewness的評價方法，在網格劃分中絕大部分的單元為優質單元，只有少量的劣質單元，在計算時并不會影響計算結果的精度和可靠性。

1.4 邊界條件的定義

該電池散熱系統由四部分組成：電池、導熱膠、液冷板、冷卻液，其中電池為軟包電池，導熱膠為硅膠，液冷板為 3系鋁板，冷卻液為乙二醇溶液，材料屬性見表1。

表1 材料屬性

流體模型設置三維定常不可壓縮模型，同時打開能量方程。冷卻液流過箱體底部，通過熱傳遞形式將電池在充放電過程中產生的熱量帶走。設置進水口流量分別為10 L/min、12 L/min，常溫25 ℃，冷卻液25 ℃，1 C放電3240 s（剩余10%SOC），進行仿真分析。

2 仿真結果

2.1 10 L/min流量下的仿真分析

圖4是進水口流量為10 L/min的進出水口壓差云圖，進出口壓差為26.9 kPa。壓力損失主要在進口處。

圖4 10 L/min流量下進出水口壓差云圖

針對此液冷系統，在1 C放電倍率下，通溫度為25 ℃冷卻液，進口流量為10 L/min，放電3 240 s（剩余10%SOC）。

圖5為10 L/min流量下電池溫度云圖，圖6為10 L/min流量下冷卻液溫度云圖。從圖中可以看出電池頂部為最高溫度位置，溫度達到38.4 ℃，電池底部為最低溫度位置，溫度為29.4 ℃，頂底最大溫差為9 ℃，出現的原因是液冷板位于底部，電池底部接觸液冷板，底部冷卻效果好，頂部冷卻效果差。進出水口溫差1.2 ℃。

圖5 10 L/min流量下電池溫度云圖

圖6 10 L/min流量下冷卻液溫度云圖

2.2 12 L/min流量下的仿真分析

圖7是進水口流量為12 L/min的進出水口壓差云圖，進出口壓差為37.6 kPa，壓力損失主要在進口處。

圖7 12 L/min流量下進出水口壓差云圖

針對此液冷系統，在1 C放電倍率下，通溫度為25 ℃冷卻液，進口流量為12 L/min，放電3 240 s（剩余10%SOC）。

圖8為12 L/min流量下電池溫度云圖，圖9為12 L/min流量下冷卻液溫度云圖。從圖中可以看出電池頂部為最高溫度位置，溫度達到38.2 ℃，電池底部為最低溫度位置，溫度為29.4 ℃，頂底最大溫差為8.8 ℃，出現的原因是液冷板位于底部，電池底部接觸液冷板，底部冷卻效果好，頂部冷卻效果差。進出水口溫差1.0 ℃。

圖8 12 L/min流量下電池溫度云圖

圖9 12 L/min流量下冷卻液溫度云圖

2.3 不同流量下的仿真分析

表2是電池系統在進口流量為10 L/min和12 L/min下電池最高溫度、電池頂底溫差、進出口溫差及進出口壓差的數據。進口流量從10 L/min增加到12 L/min，電池最高溫度降低0.2 ℃，降低0.5%；電池頂底溫差降低0.2 ℃，降低2.2%；進出口溫差降低0.2 ℃，降低16.6%；進出口壓差增加了10.7 kPa，增加39.7%。這說明增加進口流量可以改善電池的均溫性，但效果不明顯；但增加進口流量使進出口壓差顯著增大。綜上在選擇進口流量時，需要綜合考慮溫差與壓差。

表2 不同進水口流量的仿真結果

3 結論

本文設計了一款液冷集成下箱體，并研究此液冷系統對軟包電芯冷卻能力。通過仿真分析了不同的進水口流量對電池最高溫度、電池頂底溫差、進出口溫差及進出口壓差的影響。隨著進水口流量的增加，電池的最高溫度、電池頂底溫差及進出口的溫差都逐漸降低，但變化不明顯，增大進口流量會顯著增大液冷系統進出口壓差。