鋰離子動力電池系統熱管理仿真分析及設計優化

摘 要：為了拓展鋰離子動力電池的操作溫度范圍并確保其性能穩定，采用了先進的熱管理系統設計。本文聚焦于運用計算流體力學（CFD）仿真技術，深入探究了電池單元在變化工況下的熱產生特性、模組級的溫度分布情況以及在加熱與冷卻過程中的表現。通過對多種散熱架構的仿真數據進行橫向比較，得以精進電池系統的熱交換機制。實際車輛的冷卻測試結果證實，優化后的熱管理方案能夠有效維持電池在適宜的工作溫度區間內，從而保證了電池的效能和耐久性。

關鍵詞：熱管理 動力電池 仿真分析

隨著新能源汽車行業的迅猛增長，電動車的應用范圍日益擴大，對車輛性能的標準也隨之提升。在電池系統的性能指標中，人們尤為關注其耐用性、安全性及實用性，而這些指標與電池的熱管理問題密切相關。純電動車的核心在于其動力電池技術，動力電池的效能及其使用壽命對環境溫度極為敏感，其理想的工作溫度范圍應控制在25℃至45℃之間。在充電與放電過程中，電池會自然發熱，導致內部溫度升高。這種溫度的上升會直接影響電池的多項性能指標，包括內阻、電壓、狀態-of-電荷（SOC）、實際可用容量、充放電效率以及電池的整體壽命。純電動車的核心在于其動力電池技術，而要推動純電動車的發展，動力電池的性能至關重要。動力電池的效能及其使用壽命對環境溫度極為敏感，其理想的工作溫度范圍應控制在25℃至45℃之間。在充電與放電過程中電池會自然發熱，導致內部溫度升高。這種溫度的上升會直接影響電池的多項性能指標，包括內阻、電壓、狀態-of-電荷（SOC）、實際可用容量、充放電效率以及電池的整體壽命。特別是在極端條件下，鋰離子電池若長時間運行，不僅會加速老化，埋下安全隱患，導致事故發生。

1 模組及 PACK 的成組方式

基于殼體邊界約束并力求電池包空間效率最大化的原則下，采用了四種創新性模組架構。具體而言3P16S及其變體3P16S-1，還有3P6S與3P6S-1，這兩組模組呈現鏡像對稱布局。于后側邊緣，兩個3P16S模組被安置；在主開關裝置（MSD）下方的后中區域，則配置了一個3P14S模組[1]。電池包中心區域密集排列了五個 3P6S 模組，而最前端則獨占一個3P9S模組。整體上電池包由3P85S構成，其詳細的結構排布請參閱圖1。

2 電池系統結構部件溫度場分析

2.1 單體和模組的溫度場分析

通過應用計算流體力學（CFD）分析，對單體電池在變化工作條件下的熱行為進行了深入探究，具體結果參見圖2。觀察發現電池芯中心區域展現出了顯著的高溫特征，與周邊區域形成鮮明對比，溫度梯度分布清晰可見。

借助計算流體力學（CFD）技術，對電池模組的溫度場特性展開了細致研究，詳情請參閱圖3。聚焦于模組內部熱傳導機制，特別針對3P9S與3P16S兩種標準配置的模組，實施了PTC加熱仿真實驗，設定加熱時長為1800秒，環境基準溫度定為0℃。PTC元件以每分鐘0.35℃的升溫速率，分別對兩類模組施加熱負荷[2]。圖3所示，在1800秒加熱后，3P9S模組的電池表面溫差為5℃左右，高溫區域沒有出現明顯改變。對于3P16S模組，同樣條件下電池表面最高溫差約9℃左右，高溫區域同樣沒有出現明顯的變化。

參照圖4的電池包結構，選取具有代表性的單一模組進行熱管理仿真測試。單體電池的產熱率為 0.5W，入口空氣溫度設定為 28 攝氏度，PTC 元件與金屬殼體實現熱接觸以促進散熱[3]。仿真結果揭示，隔板中心區域有熱量聚集現象，但電芯通過鋁板的熱傳導運作正常；PTC構件緊挨著支架邊沿的充分接觸面有效地實現了熱量的均勻分布。

2.2 導熱鋁板傳熱分析

鑒于鋁板與電池單元間夾層的PET薄膜具有較低的熱導性，其確切的熱傳輸效率不明，故通過仿真分析，對比了含與不含PET膜情況下的熱傳導性能。PET膜的存在與否對溫度梯度的影響僅約0.2攝氏度，差異微乎其微。

3 電池包熱仿真

基于原有的箱體架構，充分考量內部模塊的實際幾何形態及熱仿真所需模型的特定要求，對結構進行了精簡，剔除了諸如螺絲、螺母、安裝孔和加固肋條等細小部件，從而構建出適于數值仿真的簡化模型[4]。利用電池系統中可利用的空余空間，創新設計了散熱架構，并提出了多種結構方案。通過對比分析這些方案在熱仿真中的數據表現，評估了各設計的合理性及其潛在局限性。

3.1 電池包原始風道結構熱仿真

原始風道設計下的電池包熱效仿真實驗結果，如圖5所示，電池體上部表層的溫差大約在10℃左右，且末端模組側邊溫度偏高。此現象主要歸咎于末端模組密集排列，導致熱量積聚，引起顯著的溫差。經由分段仿真與整體電池包的綜合分析，確認了模組整體表面溫差確實接近10℃。由于風流被引導至電池包的中心區域，中心的3P6S模組溫度相對較低。而位于后端的3P16S/3P14S模組，由于高度差異導致熱量在中間區域積聚，形成了高溫區域。模組表面的流場分布經過導流后表現較為理想，但溫度差異仍然顯著。當前的散熱設計存在不足，建議對結構進行調整或重新考慮優化風道設計的新方案。

3.2 電池包風道結構優化后熱仿真

為了對比原先基礎設計的仿真結果，需要探索和分析更新后的通風設計方案，以對照初始概念的性能表現。通過運用上蓋的非標準形狀，引導氣流至3P6S模組的中心區域，隨后借助兩側八字型導流板與前部約100毫米處的擋風板，構建出一個三角狀的氣流導向通道[5]。在高溫模組上方增設擋板，促使部分氣流形成旋渦并回返至電池包前端，借此實現整體溫差的均衡調控。中間部位的特殊構造構筑了一條保護風道，而末端的大型模組頂部則全面封閉，進而生成了雙側風道。所有風道均采取保溫措施，確保外界冷風導入后不會被前段箱體截留換熱，最終在出口處仍能維持足夠的空調冷風效力[6]。優化后的風道結構詳情，請參見圖6。

根據新風道設計，采用與先前一致的參數進行仿真計算，結果呈現于圖7，展示了電池組內部的溫度分布詳情。從圖中觀察，最高溫度集中于后端高模組兩側，達到約40℃；而最低溫度出現在上部模組表面，約為25℃，整體上表面溫差控制在15℃左右。由于熱量在出口處匯聚，最大與最小溫度之差保持在10℃。相比于之前的數據，優化后的風道，使得模組表面的溫度產生大幅度的下降；同時對空氣粒子軌跡圖進行對比，優化后的風道最直觀的效果是，在原本的高溫區域中，空氣粒子的分布更加均勻，并沒有出現粒子分布差異過大的情況；這是由于改進后的風道減少了風的阻力，增強了散熱性[7]。

4 總結

本文運用CFD仿真工具，對純電動車輛的動力電池包展開了全面的熱行為仿真研究。通過細致考察單體電池、電池模組以及導熱鋁板的熱傳導特性與溫度分布，結合對不同構型電池包的熱效仿真實驗，進行了系統化的結構改良。目標在于確保電池包內每一電池單元均處于適宜的工作溫度區間，同時促進電池及其模組間的溫度均衡，以保障電池系統的高效穩定運作。

參考文獻：

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[4]徐文文，王彬.新能源汽車電池熱管理控制系統設計及實現分析[J].時代汽車，2024（12）：122-124.

[5]王圣，李新，蔣維，李錦焙.鋰離子電池液冷熱管理系統研究進展[J].消防科學與技術，2024，43（05）：620-625.

[6]關蕾.電動車鋰電池隔膜性能的研究分析[J].化學工程師，2022，36（11）：91-93.

[7]楊永貴.電動車動力鋰電池系統強制風冷散熱特性研究[J].內燃機與配件，2022（06）：191-193.