基于Star-CCM+動力電池液冷系統熱管理仿真完整攻略

梁松月

2024年4月25日 22:55

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一、動力電池結構

動力電池一般指鋰離子電池，鋰離子電池是指在充放電時鋰離子通過正、負極之間來回移動，主要組成部分：正極和負極，隔膜，電解液，集流體(正極集流體和負極集流體)。

鋰離子電池的正極材料由復合材料制成，一般被定義為鋰離子電池的名稱。正極材料主要由四種類型：

1.具有層狀結構的金屬氧化物，如鋰鈷氧化物(LiCoO2/LCO) ；

2.具有三維尖晶石結構的金屬，如鋰錳氧化物(LiMn2O4) ；

3.具有六方型結構，如鋰鎳錳鈷氧化物(LiNiMnCoO2/NCA)；

4.具有橄欖石結構的金屬，如磷酸鐵鋰(LiFePO4/LFP)

鋰電池負極材料通常為碳和非碳等類型。其中碳負極材料具有化學穩定性、良好導電和離子導體，且成本較低。

隔膜是鋰離子電池利用微孔狀隔膜來防止負極和正極之間的物理接觸，同時允許離子自由流動。隔膜材料的存在會對電池性能產生不利影響，如增加電池的內阻和密度。目前市場所銷售的液體電解質電池是利用微孔聚烯烴材料，如聚乙烯或聚丙烯。孔徑為0.03～0.1????，孔隙率為30～50%。聚乙烯材料的低熔點允許它們用作熱熔斷體。當溫度上升到聚合物軟化點時，隔膜開始收縮，孔徑減小，進而影響Li 離子移動，并降低其反應速率。當溫度相繼升高時，隔膜能夠完全閉孔阻斷反應，且低于電池的熱失控閾值。對于目前使用的聚乙烯-聚丙烯雙層隔膜，熔融終止點發生在130℃左右，熔化發生在165℃左右。

電解液充當鋰離子電池的“血液”，根據電池的類型，可以是液體或糊狀物質。無論是何種類型的電池，其電解質具有相同用途：在負極和正極之間傳輸帶正電的鋰離子。工作過程中，電解液也被視為電池中惰性成分，不應發生電池的凈化學變化，在法拉第過程中都應發生在電極內部。理想的電解液應滿足如下要求：

1)良好的離子導體和電子絕緣體，使得鋰離子運輸方便，且自放電可保持在最低限度；

2)較寬的電化學窗口，在負極和正極的工作電位范圍內不會發生電解液降解；

3)熱穩定性好，對于液態電解液，熔點和沸點都應在工作溫度之上；

4) 低毒性，并成功地滿足其他環境危害有限的措施；

5)基于可持續化學，元素豐富且合成過程中影響較小。

集流體是鋰離子電池中的重要組成部分，常用泡沫鋁集流體不僅能承載活性物質，而且還可以將電極活性物質產生的電流匯集并輸出，有利于降低鋰離子電池的內阻，提高電池的庫倫效率、倍率性能和循環工作的穩定性。鋰離子電池集流體的材料應滿足如下要求：

1)電化學，在電池充電和放電期間對氧化和還原條件下具有穩定電化學特性；

2)導電性，高導電性有助于電池放電/充電過程中化學能/電能向熱能的轉化率低，從而提高電池的能源效率和容量，避免高溫運行的風險；

3)機械強度，集流體可用作電極機械支撐，合適機械強度的集流體有助于電池工作循環過程中保持電極活性材料與集流體的有機結合；

4)可持續性，集流體的材料可持續使用對于電池行業的發展至關重要。

二、動力電池產熱機理

當鋰離子電池接入回路(接入負載或者外部電源)中時，就會出現一系列的物理化學變化。以鋰離子放電過程為例，來揭示鋰離子電池內部的動力學過程。充電過程與放電過程的原理是一樣的，區別只是電荷運動的方向相反。當鋰離子電池接入負載時，電極電壓就會越過平衡電壓，開路情況下的平衡狀態被打破，負極和正極分別發生電化學反應：電化學反應會使Li 從負極活性顆粒中脫出，并嵌入正極活性顆粒中，這個過程稱為電化學過程。鋰離子電池內部的動力學過程可以用5個數學方程進行描述：

1）電化學過程，描述Li在活性顆粒表面的脫嵌過程；

2）固相擴散過程，描述Li在活性顆粒內部的擴散過程；

3）液相擴散過程，描述Li在電解液的擴散過程；

4）固相電勢過程，描述集流體和極片的電勢；

5）液相電勢過程，描述電解液的電勢值。

在上述的電化學模型中，溫度是影響電池性能的一個參數，鋰離子電池的電化學參數對其發熱和溫升的影響。

鋰離子電池的產熱過程可以由下式來表述，其中Q為總產熱量.

產熱分為：不可逆熱、可逆熱、電子傳輸熱、離子傳輸熱、接觸熱阻產熱

1）不可逆熱

鋰離子電池在使用過程中，需要消耗一定的能量用于驅動電化學反應，這部分能量最終會變成電池的產熱，這部分熱稱為不可逆熱。不可逆熱由鋰離子電池的電流和過電勢決定。

2）可逆熱

鋰離子電池的電化學反應伴隨著鋰離子在活性顆粒中脫嵌，這種脫嵌伴隨著活性顆粒晶粒結構的改變，這種晶粒結構的改變自然會出現放熱和吸熱現象，這部分熱量稱為可逆熱。

3）電子傳輸熱

自由電子在導電體中定向運動形成電流并傳遞電能，同時也會產熱一定的熱量，這部分熱量稱為電子傳輸熱。

4）離子傳輸熱

鋰離子在電解液中擴散、遷移和對流時會傳遞電能，同時也會產生一定的熱量，這部分熱量稱為離子傳輸熱。

5）接觸熱阻產熱

鋰離子電池內部存在著很多的接觸，電流流過這些接觸時會產生一部分的熱量，相對于其他產熱來說，接觸熱阻產熱比較小，一般可以忽略不計。

鋰離子電池使用過程中產生的熱量，為鋰離子電池的溫升提供了熱源，下式鋰離子電池的溫升過程。

式中，T為電池的溫度；Q為熱源；λAΔT為電池內部的導熱過程。

上述的電化學反應和熱力學過程不是孤立存在的，而是相互作用的。電化學反應為熱力學過程提供熱源，熱力學過程對這些熱源進行計算，更新溫度并作為參數輸入電化學反應。

三、什么是動力電池熱管理

鋰離子動力電池對溫度的敏感性，溫度高低對于鋰離子動力電池的整體性能,包括電池的容量、功率、充放電效率、安全性和壽命等都有著非常顯著的影響。鋰離子動力電池對溫度的敏感性主要源于其材料物化性質的溫度敏感性。溫度會直接影響電極材料的活性和導電率、鋰離子在電極上的嵌入和脫嵌、隔膜的鋰離子透過性等,進而影響到電池內部的電化學反應,其外部表現為動力電池的溫度敏感性。

鋰電池結構

由于動力電池具有適宜的工作溫度范圍,在此范圍內隨著溫度增加其內部活性物質的活性越大,電池的充放電電壓和容量隨之增大,電池的內阻相應減小,動力電池的充放電效率也相應增加。當溫度超過一定范圍,溫度過高則會加快電池內部副反應的進行,這些副反應消耗鋰離子、溶劑以及電解液等,導致電池性能衰減。當電池持續工作在45℃以上時,其循環壽命明顯降低,這種情況在高倍率充放電時更為明顯。因此,如果長時間地工作在高溫環境下,動力電池的壽命就會明顯縮短,其性能也會大大降低,甚至引發安全事故。溫度過低則電池內部活性物質的活性明顯降低,其內阻、極化電壓增加,充放電功率和容量均會顯著降低,甚至引起電池容量不可逆衰減,并埋下安全隱患。尤其是在充電過程中,在充電設備外加電場作用下,鋰離子從正極材料中脫出進入電解液并向負極移動,依次進入石墨構成的負極材料中,并形成LiC化合物。如果溫度較低,充電速度過快,會使得鋰離子來不及進入負極形成LiC化合物,則靠近負極的鋰離子就會俘獲電子而成為金屬鋰,并聚集形成鋰枝晶,鋰枝晶長大則可能刺破隔膜形成短路。

由于動力電池系統所處環境及自身溫度直接影響其正常運行、循環壽命、充電可接受性、輸出功率、可用能量、安全性和可靠性，為了使電池系統達到最佳的性能和壽命，需要通過引入熱管理系統對電池進行低溫加熱、高溫散熱以及保溫管理，限制電池的溫升以及溫差，從而實現電池組溫度均勻化，保證電池工作在適宜的溫度范圍內，降低電池性能衰減速度并消除相關的潛在安全風險。通過熱管理系統對溫度進行調節和控制，使動力電池在運行過程中始終保持在合適的溫度范圍，對提高動力電池系統的性能和效率，延長其使用壽命，降低電動車輛的成本，保障電動車輛的安全使用等方面都有重要的現實意義。

動力電池熱管理系統

四、動力電池如何進行液冷散熱

眾所周知，動力電池的液冷散熱過程是一個高效且精密的熱管理技術。首先，導熱液被注入電池模塊之間的空隙中。這些導熱液具有優秀的熱傳導性能，能夠迅速吸收電池產生的熱量。隨后，導熱液中的熱能經過熱管高效地傳輸至散熱器處。熱管是一種利用熱傳導原理的高效傳熱元件，它能夠將熱量從一端快速傳遞到另一端，從而實現熱量的遠距離傳輸。

圖片來自網絡

散熱器則負責將熱量釋放到外界空氣中，通過散熱片增大散熱面積，利用風扇等輔助設備加速空氣流動，從而提高散熱效率。這樣，動力電池產生的熱量就能夠被有效地散發出去，保持電池溫度的穩定。

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與傳統的風冷技術相比，液冷技術具有更高的散熱效率和更低的噪音污染。由于導熱液在集成電路封裝的微小空隙中能有效地進行傳熱，液冷技術在熱量管理方面具有更大的優勢。此外，液冷技術還能夠實現對電池溫度的精確控制，提高電池的使用壽命和安全性。

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目前，各大汽車廠商都在積極使用和研究動力電池液冷技術，以應對電動汽車市場日益增長的散熱需求。隨著技術的不斷進步，動力電池的液冷散熱技術將會更加成熟、高效和可靠。

五、動力電池的冷卻系統

動力電池常用的冷卻方式主要有四種：自然冷卻、強制風冷、液冷和制冷劑直接冷卻（簡稱直冷）。其中，自然冷卻、強制風冷和液冷這三種冷卻方式都是利用冷卻工質流過熱功耗表面時發生的對流換熱將熱量帶走，過程中冷卻工質沒有發生相變。直冷則是冷卻工質在冷板中發生相變，并利用相變吸熱帶走大量的熱量。

四種冷卻方式的冷卻效率的對比如表，液冷和直冷的冷卻效率比自然冷卻和強制風冷高出幾個量級。此外，除了冷卻效率之外，還需要綜合考慮冷卻均勻性、結構設計、成本和能耗等因素。

1）自然冷卻系統

自然冷卻是利用空氣的自然對流換熱，將Pack、模組或電池單體的熱量傳遞到周圍空氣中，從而在一定程度上降低電池單體的溫度。由于空氣的導熱系數較低，且自然對流的流動也較弱，因此自然冷卻的散熱效率一般比較低。此外，當電池系統周圍不存在其他熱源時，溫差也可以控制在較小的范圍內。自然冷卻方式雖然冷卻效率較低，但這種方式的成本較低、所占的空間較小以及電池單體間的溫差較小（無外部熱源時）。在電池系統運行工況緩和、成本控制較高以及留給熱管理系統的空間十分有限的情況，自然冷卻方式是一種可取的選擇。

2）強制風冷系統

強制風冷是通過風扇將空氣引入箱體內部，空氣在風扇的作用下，以一定的流速掠過模組或者電芯的外表面，并將電芯產生的熱量散入到環境空氣中。強制風冷方式常見于早期的純電動乘用車、純電動大巴以及儲能系統。根據空氣的流動形式，強制風冷系統的風道可以分為：串行方式和并行方式。串行方式的優點是結構簡單，缺點是散熱均勻性差，且系統流動阻力比較大；并行方式的散熱均勻性更好一些，且流動阻力比較小，但并行方式的結構較為復雜，占據的空間也更大。電芯間隙冷卻情況下串行方式的原理圖，在這種方式下，冷風逐一掠過電芯并將電芯的熱量帶走，同時冷風每掠過一個電芯自身的溫度就會升高，因此這種方式會使電芯間的溫差增大，此外系統的流動阻力也比較大；

電芯間隙冷卻情況下的并行方式的原理圖，在這種冷卻方式下，冷風并行掠過電芯并將電芯的熱量帶走，因此電芯間的溫差得到了控制，且系統的流動阻力比較小。

3）液冷系統

液冷方式主要把冷卻液作為冷卻介質為電池系統降溫。常用的純電動汽車熱管理液冷系統主要包括冷凝器、壓縮機、水泵、熱交換器等部件。首先，冷卻液流經冷凝器、壓縮機后被強制降溫，然后低溫冷卻液經過電池系統內部冷卻流道與電芯發生熱交換以后，再流經熱交換器與低溫制冷劑進行熱交換，從而將電池產生的熱量帶出電池系統，降低電池溫度。液冷比風冷的散熱效率高，能夠滿足大功率充放電的散熱需求，同時液冷散熱更均勻，電芯溫差小，溫度一致性高，能夠大幅提高電池系統穩定性和壽命。但是，液冷系統結構較風冷系統復雜，液冷系統運轉時會消耗電池本身的能量，且相對風冷系統成本也略有增加。

六、認識電池包的液冷系統

液冷系統指的是電池系統內部的液冷系統，一套完整的液冷系統不僅包括電池系統內部的液冷系統，還包括電池系統外部的液冷系統。圖是一套完整液冷系統的工作原理圖：電芯產生的熱量通過電池系統內部液冷系統被帶出電池系統，然后進入電池系統外部液冷回路中，緊接著這部分熱量通過換熱器傳遞給整車空調系統，最后通過整車空調系統將這部分熱量傳遞到環境空氣中。

（一）液冷工質

根據液冷工質電導率不同，液冷工質可以分為直接接觸式和間接接觸式，直接接觸式的液冷工質可以與電芯直接接觸并將熱量散入環境中，硅油和篦麻油屬于直接接觸式液冷工質，間接接觸式的液冷工質不能直接與電芯接觸，通常需要利用金屬容器進行盛裝，并利用金屬容器與電芯進行接觸從而將熱量散入環境中，且金屬容器與電芯之間需要添加絕緣層，水和乙二醇溶液屬于間接接觸式液冷工質。

(二)液冷系統設計流程

整個液冷系統設計的流程可以分為設計目標、系統總體方案設計、傳熱路徑設計、液冷回路設計、液冷板設計、冷卻策略設計、機械結構設計、仿真分析和測試驗證等。

1、設計目標

1）電芯溫度控制

對電芯溫度的控制，主要是從保證電芯循環壽命要求出發的，即將電芯的最高溫度控制在特定溫度之下，才能保證電池系統的循環壽命要求。一般情況下，電池系統在特定環境溫度下運行特定工況時，液冷系統需要將電芯自身的溫度控制在45°C以下或者將電芯自身的溫升控制在10°C以下，從而保證電池系統的循環壽命要求。

2）電芯之間溫差控制

電池在充電、放電和靜置等過程中的電化學反應和自放電反應速率都會受到電池溫度的影響。當電池系統中的電池單體間出現溫度不均衡時，電池的電化學反應和自放電反應的速率也會出現不均衡，這種不均衡會導致電池單體間的循環壽命、容量和內阻出現差異。因此，應根據壽命一致性要求和BMS控制的要求確定電池單體間允許的最大溫差。一般情況下，電池系統在特定環境溫度下運行特定工況時，液冷系統需要將電芯之間的溫差控制在5 °C以內，從而保證電池系統的一致性要求。

3)系統壓降控制

冷卻液流過液冷系統時，由于流體存在黏性，流體與管槽內壁以及流體與流體之間存在著摩擦阻力，這會消耗一部分能量。這一部分能量消耗主要表現為液冷系統冷卻液進出口壓力下降。為了補充這一部分壓降，循環液回路中的泵需要提供相應的升力。液冷系統的壓降值需要根據泵的揚程來確定：在大多數情況下系統的壓降一般控制在20?30 kPa范圍內；但對于采用圓柱電芯的電池系統來說, 它的液冷系統的壓降一般會在60-70 kPa范圍內。

2、總體方案設計

液冷系統總體方案設計在整個電池系統設計過程中起到承上啟下的作用。

一方面，液冷系統作為電池系統的一個子系統，它的總體方案設計需要與電池系統的方案設計匹配，并與電池系統方案設計同步完成。另一方面，液冷系統總體方案作為各液冷子系統和液冷零部件的總括，它需要保證所有液冷子系統和液冷零部件能協同動作。一般情況下，液冷系統的總體方案需要包括如下內容：傳熱路徑概念設計、液冷回路概念設計、液冷板概念設計、冷卻策略概念設計、機械結構概念設計等。

3、傳熱路徑設計

一般情況下，液冷系統的傳熱過程可以歸納成三條傳熱路徑：第一條是熱量從電芯內部傳遞到電芯外表面；第二條是熱量從電芯外表面傳遞到液冷板冷卻表面；第三條是熱量從液冷板冷卻表面傳遞到電池系統外部。

三條傳熱路徑是串聯的關系，因此需要對這三條傳熱路徑進行逐一的優化設計，從而使整個系統的傳熱效率到達最優。其中第一條路徑是在電芯設計階段完成的，第二條路徑和第三條路徑則是液冷系統設計所需要重點關注的。第二條路徑的優化設計即為模組的優化設計。第三條路徑的優化設計則主要體現在液冷回路設計和液冷板設計上，

4、液冷回路設計

整個液冷系統往往由若干個并聯的回路組成，冷卻液從液冷系統入口流入，隨后分流并流過并聯回路，最后匯流并從液冷系統出口流出。圖所示是液冷系統采用的是并聯模式，每一塊液冷板接入主干路并通過連接形成一個并聯回路，實際設計中可以將每個并聯回路之間流量比的偏差控制在10%以內。

5、液冷板設計

對于每一個并聯回路，為了保證并聯回路內部冷卻的均勻性,需要對液冷板與冷卻液接觸的面積(稱為冷卻面積)進行設計，冷卻面積的設計方法。

h、Tw和S是未知的變量，其中S為待求的設計參數。對于確定的流動情況，對流換熱系數h是基本確定的，h可以通過公式來近似計算。Tw則可以根據發熱功率Pm和導熱路徑的情況進行計算。在確定h和Tw之后，則可以通過公式計算出冷卻面積。

6、冷卻策略設計

在實際的運行過程中，出于節省能耗的考慮，外部液冷系統的空調和電子泵并不是常開的，它們的開啟和關閉一般是根據電芯的實際溫度來確定的：當電芯的溫度高于一定溫度時，為了將電芯的溫度控制在設計目標之內，需要開啟空調和電子泵；當電芯的溫度低于一定溫度時，此時電芯的溫度一般會是下行趨勢，出于節省能耗的考慮，會關閉空調和電子泵。

由于熱慣性的存在，一般情況下空調和電子泵開啟時電芯的溫度低于液冷系統的設計目標，而空調和電子泵關閉時電芯的溫度低于空調和電子泵開啟時電芯的溫度。當電芯溫度高于什么溫度時開啟空調和電子泵以及低于什么溫度時關閉空調和電子泵，即為液冷系統的冷卻策略。冷卻策略的設計一般是先通過仿真分析來確定，然后通過實驗進行驗證。

冷卻策略的設計流程，首先將初步設計的冷卻策略輸入到CFD仿真模型中，經過數值計算可以獲得整個熱場和流場隨時間變化的曲線；接著從仿真結果中提取出電池的最大溫升、電池間的最大溫差和能耗等數據，并將這些數據與設計目標進行比較，如果滿足設計目標，則進行測試驗證，如果不滿足，則需要根據仿真結果調整冷卻策略，然后將新的冷卻策略輸入到CFD模型中去，直至測試驗證滿足設計要求。

7、機械結構設計

在液冷系統設計中，需要對冷卻界面（即液冷板與模組或者電芯的接觸面）的接觸熱阻進行控制。一般來說，控制的方法有多種，但所有的方法都有一個共同點，即在液冷板與模組或者液冷板與電芯之間施加一個合適的預緊力，從保證二者接觸良好。因此，液冷板安裝的關鍵就是如何提供這樣的一個合適的預緊力。

對于具備承重能力的液冷板來說，提供這個預緊力比較簡單，常用的做法是將模組直接安裝在液冷板上，通過模組的重量和螺栓預緊來提供這樣的一個預緊力。

對于不具備承重能力的液冷板來說，一般不能通過模組重量和螺栓預緊這種方式來提供預緊力。對于這種類型的液冷板，常見的安裝方式有兩種：第一種是夾持安裝，包括雙模組夾持和雙電芯夾持兩種安裝方式；第二種是彈性支撐結構。?

雙模組夾持安裝的液冷板，這種安裝方式是將兩個模組相對平放，然后將液冷板夾持在兩個模組的底面之間；雙電芯夾持安裝結構, 這種安裝方式是將液冷板夾持在兩個電芯(方形電芯和軟包電芯)的大面之間。總體來說，夾持安裝方式使液冷板的兩個表面均得以利用從而提高了液冷板的利用效率，并且沒有增加額外的支撐結構件，在某些情況下是一種較為可取的安裝方式。

8、仿真分析

液冷系統設計過程中主要參數，都可以預先通過工具進行仿真分析和優化設計，然后再通過測試進行驗證，從而節省成本和周期。在確定液冷系統的設計目標之后，通過CFD工具預先驗證液冷系統的傳熱路徑設計、液冷回路設計、液冷板設計、冷卻液入口溫度設定、冷卻液流量設定以及液冷策略設計等參數是否合理。

以某乘用車液冷系統的設計為例，對液冷系統的設計流程進行簡單的介紹。圖為某電池系統的結構圖，電池系統由3行12列并排的36個模組組成，每個模組由12個方形電芯組成。電池系統在夏天使用時環境溫度為40°C, 運行工況為1C滿放，液冷系統所使用的冷卻液為乙二醇溶液（50%,體積分數）, 冷卻液流量為15L/min,冷卻液入口溫度為22 °C 。

液冷系統的設計目標為：在運行指定工況時，電池系統內部電芯的最大溫升小于等于10°C；電芯之間的最大溫差小于等于5°C；液冷系統的壓降小于等于30 kPa。在設計之初，根據產熱分析計算出1C滿放工況下電池系統的產熱功率。然后根據模組排布的特點，對液冷回路進行設計，初步將本系統的液冷回路設計為3S4P,如圖所示

最后，對液冷板進行設計，初步將本系統的液冷板的寬度設計為80 mm,厚度設計為5mm。管路分流和匯流的地方采用三通閥連接，硬管與軟管之間的連接采用脹接工藝，液冷板與軟管之間的連接采用SAE標準快插接頭，液冷系統與箱體的密封采用法蘭連接。

圖分別是通過CFD仿真工具計算出來的液冷系統的壓力分布和速度分布，從仿真結果來看，系統的壓降為26kPa, 4個并聯回路之間的冷卻液流量之差小于10%,滿足流場設計的目標。