基于有限元模型的動力電池冷卻系統優化設計

丁亞運，于紅丞，乾超群，徐海軍，張禮元

1.同濟大學 汽車學院，上海 201804；2.上海翼銳汽車科技有限公司，上海 201800

0 引言

當下，汽車開始進入電動化時代。隨著電動車保有量的不斷增加，車用動力電池的安全性也成了一個非常突出的問題。就動力電池的安全性來說，精準控制電池的溫度是控制熱擴散的一個重要指標，因為電池能否在適當的溫度下充放電將影響電池壽命[1-2]。具體來說，當下廣泛應用的車用動力鋰電池對溫度非常敏感，在充電、放電過程中，電池內部電化學反應以及電阻會產生大量熱量，使電池的溫度升高，影響電池的循環壽命、效率、可靠性和安全性[3-5]。電池溫度的熱失控是電動車發展所需解決的重要問題之一，熱失控輕則縮短使用壽命，重則導致電池失火爆炸等惡劣事故。根據當前研究，鋰電池最佳的工作溫度為25～45 ℃，在電池內部以及模組之間理想的溫差分布應小于5 ℃[6-9], 所以車用動力電池冷卻系統溫度均勻性（調節電池溫度一致性）對整個電池系統的性能是至關重要的。有實驗表明，在45 ℃環境溫度下高倍率充放電，鋰電池組的循環使用次數減少了60次，并且環境溫度每上升5℃，電池組循環壽命減少一半，如果在最佳的工作溫度范圍里運行，能使電池組整體性能提高30%～40%，即冷卻系統直接影響整車和鋰電池的性能[10-11]。

目前，純電動車與混合動力汽車大多采用風冷、液冷、相變材料3種主流的冷卻形式[12-13]。而相關資料顯示[14-15]，風冷效率不如液冷效率。鑒于此，本文以設計的某車用動力電池液冷系統為研究對象，首先利用CATIA軟件設計液冷系統結構；再利用STAR-CCM+對冷卻板流道建立仿真模型，對流道及溫度場進行仿真；最后基于仿真結果對所設計的動力電池冷卻系統的合理性及熱擴散穩定性進行分析。

1 電池冷卻系統結構設計與仿真

1.1 冷卻系統結構設計

在電池包冷卻系統的設計中，為了讓每一塊電池模組可以得到均勻而有效的溫度控制，電池冷卻板遵循兩大設計要求：（1）盡可能增大流道與電池模組底部的接觸面積；（2）盡可能使流道均勻地分布在電池模組底部。根據流場的理論知識，流體的流動模式有層流、紊流以及湍流3種形式，在直流道低流速時容易形成層流狀態[16]，而這并不利于電池模組的散熱。所以，為了形成有效的散熱結構，設計中采用橫截面積相對狹窄的彎曲流道（蛇形通道），這樣在同等水泵流量下冷卻液流速更快，更容易形成湍流，這樣有利于冷卻系統與電池模組之間的熱交換[17-19]。

基于CATIA 3D繪圖軟件完成電池包及冷卻系統結構繪制。根據電池包整體幾何結構（圖1），該電池包共有12塊電池模組，設計如圖2所示的單個電池組冷卻板，再通過并聯成組的方式連接到主流道管路形成電池包冷卻系統（圖3）。整個冷卻系統由12塊單個電池模組冷卻板組成，其中左邊6個單電池模組冷卻板并聯在左邊主流道進出液管路，如圖3所示，標記各個支管路接口分別為A、B、C、D、E、F，右邊為對稱結構，標記A所在端為主流道管路進出口。冷卻系統在裝配到電池包內時，液冷板上下表面都會涂覆一定厚度的導熱膠，導熱膠的作用是使電池模組與冷卻系統均勻地進行熱傳導。從結構設計的角度來看，所設計的電池包冷卻系統符合設計要求。

圖1 車用動力電池包整體幾何結構

圖2 單個電池組冷卻板流道結構

圖3 車用動力電池包冷卻系統結構

1.2 冷卻系統冷卻液流量仿真

以上述3D數據模型為基礎，建立液冷板流場仿真模型，從而驗證流道設計的合理性。在 STAR-CCM+軟件中進行體網格劃分，采用多面體網格模型，將A、B、C、D、E、F所示進液支管管徑的初始狀態設置為8 mm，A所在端為主流道管路進出口，上為進液管道，下為出液管道。進液口流速設置10 L/min，出液口相對壓力設置為0，冷卻液設置為恒密度不可壓縮流體。計算模型采用穩態計算模式，湍流模型選用k-ε模型[20]。

對左半邊冷卻板流場進行各個流道冷卻液流速仿真求解（圖4），讀取每一塊冷卻板出液支管流量大小，并對所記錄數據進行處理，得到圖5所示的各冷卻板支管出口流量百分比。很明顯，每塊冷卻板流道中的冷卻液流量不一致，最大流量差為12.2%。液冷系統的冷卻原理是通過流動的冷卻液傳導熱量，而所設計每塊冷卻板流道中的冷卻液流量不一致勢必會導致熱交換不均勻，使各個電池模組之間的溫差較大，從而影響電池組充放電的穩定性，甚至出現一個惡性循環的結果。簡單概括即各冷卻管道流量分配不均勻，無法達到溫度均勻的冷卻效果。

圖4 冷卻系統各冷卻板流道流量云圖

圖5 各冷卻板支管出口流量百分比

1.3 冷卻系統結構優化

根據上述冷卻板流道流量穩態模擬結果分析，液冷流道中的冷卻液流到各個液冷管中后，在流道中會產生壓降[21]，從而導致相同進液管徑的各冷卻板中冷卻液流量不一致。從結構設計的角度考慮，可以通過調整進液支管的管徑來彌補壓降所造成的流量減小問題，即通過調整進液支管的管徑控制各個液冷板流道中流量的大小。在仿真模擬中反復嘗試并結合工程設計經驗以及現實中管料規格等，選取A、B、C、D、E、F處（圖3）進液支管的管徑分別為4.5 mm、5 mm、6 mm、7 mm、9 mm、10 mm。

1.4 冷卻系統優化結構仿真

針對優化進液支管管徑后的模型進行相同的冷卻板流場仿真求解（圖6），讀取每一塊冷卻板出液支管流量大小，對數據進行處理得到圖7所示的各冷卻板支管出口流量百分比。很明顯每塊冷卻板流道中的冷卻液流動速度相差較小，最大流量僅存在0.85%的差異。即在流道冷卻液流量差異小的情形下保證了冷卻系統能夠實現各個液冷板的溫度交換傳導相對均勻。即從熱擴散的角度來看，所優化設計的電池包冷卻系統符合熱擴散均勻性的設計要求。

圖6 結構優化后冷卻系統各冷卻板流道流量云圖

圖7 結構優化后各冷板支管入口流量百分比

2 動力電池冷卻系統熱擴散性能仿真

在上述合理的3D零件結構基礎上，對所設計液冷系統進行3種行車工況下的溫度場瞬態仿真，驗證動力電池系統是否可以在最佳的工作溫度下充放電[15,22]。為簡化模型做以下假設：①設置電池模組為單一材料組成的產熱體，導熱率為各向異性；②電池包內零件的密度、比熱容、導熱系數等參數不隨周圍環境溫度的變化而變化；③忽略對電池包溫度影響較小的部件。根據以上假設可大大簡化電池包熱模型的幾何模型。

設置材料屬性：根據設計選用材料查找電池、鋁板、鋼板、膠水、冷卻液等的物理屬性，包括密度、比熱容、導熱系數、動態黏度、紊流普朗特數等參數，詳見表1。

表1 材料屬性

已知所選用電池模組1C放電的發熱功率曲線如圖8所示。

圖8 電池模組1C放電的發熱功率曲線

2.1 常溫高速

常溫高速工況下的模擬是指常溫條件下，駕駛員在高速路上高速行車時，初始環境為25 ℃，選取電池模組幾何中心點位置為溫度監測點，當監測點溫度大于38 ℃時開啟冷卻系統。根據液冷開啟條件設置，模擬中記錄液冷系統在3504 s開啟液冷，整個模擬過程最高溫度是38.6 ℃（圖9），模組之間的最大溫差在0.08 ℃范圍內（圖10），即這一工況下所設計的電池冷卻系統滿足最高溫度50 ℃、最大溫差5 ℃的設計目標。

圖9 常溫高速工況下電池模型溫度仿真云圖

圖10 常溫高速工況下電池模組溫度曲線

2.2 高溫高速

高溫高速工況的模擬是指新能源汽車在夏天室外環境暴曬1 d后，啟動汽車進入高速行駛工況。液冷系統模組最高溫度為40.6 ℃（圖11），電芯間的最大溫差為0.25 ℃（圖12），即這一工況下所設計的電池冷卻系統滿足最高溫度50 ℃、最大溫差5 ℃的設計目標。

圖11 高溫高速工況下電池模型溫度仿真云圖

圖12 高溫高速工況下電池模型溫度曲線

2.3 低溫加熱

低溫加熱工況下，模擬新能源汽車在冬季放置車庫一夜后，啟動汽車把電池加熱到安全工作溫度（5 ℃以上）并進行高速行駛。液冷系統經過1526 s后模組溫度監測點的最低溫度達到了5 ℃以上（圖13），液冷系統加熱速率0.98 ℃/min。電芯之間的最大溫差為0.65 ℃（圖14），即這一工況下所設計的電池冷卻系統滿足加熱速率大于0.5 ℃/min、最大溫差5 ℃的設計目標。

圖13 低溫加熱工況下電池模型溫度仿真云圖

圖14 低溫加熱工況下電池模組溫度曲線

3 結論

本文根據設計要求完成了液冷板的結構設計，利用CATIA建立了3D仿真模型，采用STAR-CCM+軟件建立了動力電池包的液冷板流道穩態仿真模型與冷卻系統溫度場瞬態仿真模型，進行了冷卻液流量仿真分析，得到如下結論：

（1）通過優化液冷板的進液支管管徑，平衡流道內壓降使各個液冷板的流道內流速偏差減小，為電池包的設計提供了可靠的數據支持。

（2）通過溫度場仿真結果證實了流道流速均勻的液冷板可以有效地滿足溫度均勻性，控制溫差，使最大溫差不大于5℃。證明所設計的電池包冷卻系統符合設計要求。

（3）本文提出的3D模型建立、溫度場仿真方法對電池包的液冷板的開發及電池包的熱管理具有一定指導意義。