電動汽車動力電池冷卻系統有限元仿真分析及優化

雷 藝，林 松，林東強，陳德燈，方 正

（1.廣西交通職業技術學院汽車工程學院，廣西 南寧 530004；2.北部灣大學機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535000）

0 引言

安全性能是動力電池發展的首要標準，而安全性與溫度性能、穩定性和耐久性等因素密切相關[1]。動力電池自燃事件頻發，危害人民生命財產安全，給消費者帶來極大的心理創傷。動力電池的冷卻系統在動力電池使用過程中起到極其關鍵的作用。

冷卻系統使用得比較多的是風冷卻系統和水冷卻系統，但是液態冷卻系統的冷卻效率比較高，普遍應用在純電動汽車動力電池包的冷卻系統中。彭影[2]等對磷酸鐵鋰離子電池組的冷卻進行了研究，其通過使用在不同工況和溫度條件下自然對流、強制對流仿真和油冷卻方法。閔小藤等[3]設計了微小通道波形液冷卻扁管，通過改變管與電池圓柱形鋰離子電池的角度增大導熱性能和變換波形扁管內部管道數量提高冷切效率及電池散熱均勻度。Deng 等[4]研究了U 形狀蛇形通道矩形鋰離子電池熱管理，電池組的電池芯與電池芯之間有蛇形微型通道冷板隔離。

以某款磷酸鐵鋰鋰離子動力電池作為研究對象，對熱管理冷卻水箱結構進行分析與改進。通過對冷卻水箱進行散熱仿真模擬，對影響該電池水箱冷卻效果進行分析。利用電池組單體電池通常行駛最高復雜工況和國內均衡溫度作為對比，對該電池組冷卻系統的結構參數進行改進優化，最后得到優化后的冷卻系統模型。

1 建立動力電池包冷卻系統模型

1.1 建立動力電池包冷卻系統幾何模型

通過某車型動力電池包的相關參數，利用CATIA三維軟件建立原車1P5S 電池模組液冷模型，如圖1所示。

圖1 電池組也冷卻模型

1.2 建立動力電池包冷卻系統有限元模型

將原結構模型導入Workbench 軟件，利用Geom原etry 模塊對電池模組建立流體域及對單體電池正負接柱固體域進行簡化。創建電池與冷卻管的導熱面和所需的觀察面，對模型結構進行標注和共享。

使用Workbench 軟件內部的Mesh 模塊，對電池組原結構模型進行網格劃分。選擇CFD 編輯模式，通過手動調整對流體域與固體域的模型進行網格的分化，流道和流體部分是主要熱交換部分網格單元尺寸為2.0 mm；電池為熱源劃分網格單元尺寸為8.0 mm；總體結果：節點為1.759伊105，單元格為9.565伊105，單元格平均質量為0.8，平均縱橫比為1.985。如圖2所示為動力電池包的有限元模型。

圖2 電池包有限元模型

2 動力電池包冷卻系統仿真分析

溫度對鋰離子電池有很大的影響，新能源電動汽動力電池包空間有限，鋰離子電池被密集地包裝在車輛的電池箱里。當車輛工作時電池焦耳熱和極化熱以及反應產生的熱量和副反應熱會被積累在電池包內部電池組工作環境溫度會產生變化，導致電池組內部的溫度升高和溫度分布不均勻降低電池組供放電能力，循環使用壽命，甚至可能導致熱控制失效，影響車輛安全性和續航里程。

磷酸鐵鋰電池最適合的工作范圍為20～45 益，溫差小于5 益；可接受范圍為20 ～ 60 益，溫差在5 ～10 益。鋰電池內部產熱量主要有兩個過程，分為可逆過程和不可逆過程。可逆過程熱量為離子化學反應產生的熱量，充電時表現為吸熱，放電時表現為放熱；不可逆過程熱量包括焦耳效應產生的焦耳熱和極化效應產生的熱量。徐蒙[5]對磷酸鐵鋰動力電池充電和放電過程中的產熱速率進行了實驗研究和模型建立，發現在不同倍率的放電過程中可逆熱和不可逆熱的占比有很大的不同，在低倍率為0.5C 下化學反應熱起主導作用，而隨著倍率的提高焦耳熱的比例逐漸超過化學反應熱，在5C 倍率時達到反應熱的6～7 倍。本文使用Ansys Fluent 軟件，對電池模組采用液冷類型傳熱進行仿真分析。

將原結構網格模型導入Fluent 軟件中，如圖3 所示。然后對模型材料進行分化，并添加設置參數。接著考慮仿真過程中流體域與固體域和固體域與固體域之間的界面熱傳導。最后通過有上述所獲得參數對邊界條件參數進行設計。

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圖3 仿真模型示意圖

在對原有結構進行仿真時從多個方面進行分析，由于電池在散熱過程中熱量傳遞的主要方向是由上到下，因此最高溫度出現在電池頂部的截面上，對比的關鍵參數為：（1）冷卻液出口溫度；（2）電池的最高溫度；（3）電池頂部截面的最大溫差；（4）各單體電池流向和底部截面溫差。

給定初始條件后計算得出原有結構的出口溫度為30.71 益，電池側面溫度分布呈階梯狀如圖4 所示，與丁毅[6]的仿真結果吻合，證明該模型的設置參數在合理范圍之內。

圖4 原結構電池側面溫度分布圖

電池的頂部截面溫度分布如圖5 所示。

圖5 原結構電池頂部截面溫度分布圖

頂部截面最高溫度為50.36 益，最低溫度為44.43 益，最大溫差為5.93 益。冷卻液流道內溫度分布比較均勻，沿著流動方向均勻變化，流動垂直方向上溫度大部分聚集在電池底部，冷卻管道截面溫度分布如6 圖所示。

圖6 原結構流道截面溫度分布圖

電池底部與溫度最低的冷卻液管道接觸，管道的總寬度為84 mm，而電池對應的寬度為152 mm，因此底部容易產生溫度不均勻的現象，其截面溫度分布如圖7 所示。

圖7 原結構電池底部截面溫度分布圖

各單體電池底部溫差如8 圖所示。

結合圖7 和圖8 可以看出，與管道距離較近的位置溫度最低，單個電池兩端和中心產生了較大的溫差，而在冷卻液流動方向的垂直截面上，溫度分布以管道處為中心呈擴散形狀向外分布。電池內部熱量分布差異較大，如圖9 所示。

圖8 原結構單體電池底部截面溫差

圖9 原結構流動方向截面溫度分布

電池組各單體成流動方向側截面溫差，如圖10所示。

圖10 原結構流動方向截面溫度溫差

通過參考文獻提供的有效基本參數結合實際數據參數，計算出本研究所需要的電池物理參數，從查看大量參考文獻書籍及網絡信息獲得，動力電池以1C 的倍率放電完全可以，滿足純電動汽車在正常行駛條件。其為了減小仿真與實際環境情況的差異，通過選用0.1 m/s 較低冷卻流速和增加20%生熱功率的方法確定仿真相關參數和邊界條件。

利用Fluent 軟件對原結構動力電池組冷卻模進行仿真分析，從散熱性能和溫度場獲得以下結論。

當25 益冷卻液以0.1 m/s 流速進入冷卻管道，冷卻1C 倍率放電下的電池組，電池組最高溫度和溫差控制在溫度20 ～ 60 益，溫差5 ～ 10 益的可接受范圍，但未能達到電池的最佳溫度范圍。通過截面云圖，可以看出電池組溫度成梯形分布，冷卻液流道內溫度分布比較均勻。由于冷卻板與電池底接觸冷卻導熱面積較小，導致電池底部產生溫度分布不均現象，因此需要對此問題進行優化。

3 電池包冷卻系統模型結構優化

基于原結構的溫度仿真結果，對結構進行優化。通過原結構數據結果發現，其主要問題是電池底部冷卻不均，由于鋁金屬材料導熱性能良好與銅、石墨烯、金、銀、稀有材料等導熱材料相比價格低廉，其優化方案為在電池底部增加長152 mm、寬80 mm、厚度為3 mm 的導熱鋁板，這樣做的目的是減少電池底部的溫差，原理是鋁材料的導熱系數優于電池材料且各個方向導熱系數相同，改進方案結構如圖11 所示。

圖11 改進方案結構圖

對此結構建模后進行計算得出：出口溫度為30.72 益，頂部最高溫度為48.27 益，最低溫度為42.98 益，最大溫差為5.38 益。頂部截面溫度分布如圖12 所示。

圖12 改進方案一電池頂部溫度分布圖

從下圖13 所示的電池底部溫度分布圖中，可以看出單體電池底部溫度圖顏色與原結構電池部溫度圖顏色相比明顯均勻許多。從圖14 中可以看出，原結構電池底部溫差在8.5 ～ 9.15 益間，改進后底部溫差在3.3 ～ 3.95 益，溫差降低了5.2 益。

圖13 改進方案一電池底部溫度分布圖

圖14 原結構與改進方案一單體電池底截面溫差圖

如圖15 所示為采用增大電池底部與冷板的接觸導熱面積冷卻單體電池時電池流向截面云圖溫度變化。從圖中可以容易看出，電池截面呈現出三個比較有規則的不同的溫度層。從圖16 的原模型和改進后的各單體電池截面溫差，可以知道原模型截面溫差在12.90 ～ 13.25 益，改進模型溫差在10.10 ～10.30 益，相比溫差減小2.80 ～ 2.95 益間。

圖15 改進方案流動方向截面溫度分布圖

圖16 原結構與改進方案流動方向截面溫度溫差

根據改進方案的結果發現，頂部最高溫度和最低溫度均有下降，散熱效率提高，流動方向上的電池截面等溫線從原來中心擴散狀，變得更加趨近于直線，但最大溫差下降了不到1 益。分析原因是鋁板只優化了單個電池內部的溫度均勻性和電池底面的換熱效率，電池整體的溫差較大是由于從入口進入的低溫制冷液逐漸被電池加熱，制冷液與電池的溫差逐漸減小，導致散熱量減小。進一步對冷卻液管道進行優化，冷卻效果更佳好。

4 結語

基于某純電動汽車動力電池熱管理系統的改進，首先對某純電動汽車電池包、電池模組和熱管理系統基本結構原理進行分析，利用三維建模軟件建立電池模組冷卻結構模型。根據磷酸鐵鋰鋰離子單體電池的反應和生熱特性，建立了電池導熱模型，然后對實車電池組液冷卻模型進行仿真，得出仿真結論后提出優化方法，最后電池組溫度均勻分布特性獲得有效提高。