新能源汽車動力電池熱管理熱流體仿真案列分析

LEVEL(gzx源汽車熱管理仿真技術)

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自2019年10月10日起，我將在平臺發布《新能源汽車PACK熱流場分析進階16講》。

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本案列電池系統采用液冷熱管理方式的，如圖1和圖2所示是電池PACK系統前處理模型，主要包括：上下箱體，液冷板，導熱墊、隔熱護板、絕緣板、模組等結構，由4個模組成，每個模組由18個50Ah方形電芯組成。液冷系統采用兩進兩出的并聯方式，箱體采用集成液冷系統設計，通過型材水冷板總成和框架總成通過FDS工藝和涂膠工藝進行固定和密封，該系統優勢在于液冷系統的結構組件借用了箱體的結構組件使得電池系統更輕。

利用ANSYS-SCDM軟件對電池包PACK建模前處理，以STAR-CCM+軟件作為液冷系統流場仿真和PACK熱場仿真的工具，建立熱流場仿真分析模型，最終實現了對動力電池在低溫停車加熱工況，常溫行車、高溫行車等工況PACK內部電池溫度變化情況仿真，同時實現了對液冷系統內部壓降和流量均勻性仿真，對冷板結構設計提出合理依據。

圖1 PACK系統簡化數模

圖2 PACK系統簡化數模爆炸圖

一、模型簡化

通過分析數模的結構組成及各部件的作用以評估各部分對熱系統的影響，進而決定對部件的保留、簡化、還是舍棄。模型簡化的原則，在盡可能仿真精度的情況下，通過簡化減少網格的數量同時提高網格質量，提高計算效率。如圖3和圖4分別是動力電池模組簡化前后得模型。

圖3 簡化前模組

圖4 簡化后模組

對于流場仿真：在處理幾何模型時，應保留所有管道的內徑和液冷板內流道尺寸不變，對管路彎曲、管道變徑、局部彎頭等細節特征保留，水管要做到不扭曲，彎角過度平滑，同時保證簡化后接頭裝配良好，對管路、接頭、冷板的外部可進行適度的簡化以減少網格量。

對于熱仿真：模型中的線束、掛耳、螺絲螺套、銅排、bms管理部件等對熱管理系統影響較小，可舍棄；對于熱管理系統影響較大的零件幾何特征可以適當簡化，如倒角結構、結構對齊等。

簡化完成后，檢查整個模型是否有干涉和其他問題，如有問題，可用ANSYS-SCDM軟件對其進行修復，如無問題，可利用SCDM對模型進行流體域的抽取。

二、熱管理設計

為了使動力電池保持在合理的溫度范圍內工作，電池包必須擁有科學和高效的熱管理系統。主要如下幾項主要功能：

(1)電池溫度的準確測量和監控；

(2)電池組溫度過高時的有效散熱和通風；

(3)低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作；

(4)保證電池組溫度場的均勻分布。

電池熱管理系統設計的主要目標是：在考慮空間布置、設計成本、輕量化等條件下，通過加熱或冷卻控制，保證電池系統工作在相對適宜的工作溫度，同時減小單體間溫度，保證一致性。熱管理系統設計結構圖如下：

圖5 熱管理系統設計結構圖

三、仿真分析

鋰電池Pack設計中往往會借助熱流體仿真分析來輔助工程師完成pack熱管理系統設計，在熱管理系統設計階段，可對Pack、模組或電池進行熱場仿真分析，根據仿真結果快速地選擇出冷卻、加熱和保溫方式；在冷卻子系統設計階段，可以對Pack、模組或電池（帶冷卻子系統）進行熱場和流場仿真分析，根據仿真結果確定冷卻通道設計、冷卻介質、冷卻入口溫度和流量以及風扇或泵的參數等。

借助熱流體仿真分析工具，大部分的Pack熱管理設計工作和部分測試工作都可以在電腦上完成。大量的設計、制造、測試工作可以被省略，Pack設計的成本也會大幅度下降。下面基于案例的方式，介紹一下動力電池熱管理仿真分析的基本流程和技巧。

該案列液冷系統的設計目標為：在指定工況下運行，電池系統內部電芯的最大溫度小于50℃；電芯之間的溫差小于等于5℃；液冷系統的壓降小于10kPa，依據下圖7電芯單體的產熱數據，計算在1c滿放的情況下電池系統的產熱功率。

利用STAR-ccm+軟件的VOF模型，清楚的仿真出液冷板內從開始注入冷卻液到注滿冷卻熱的過程。

設置進口兩相材料的體積分數：cooling water：air=1：0

設置出口兩相材料的體積分數cooling water：air=0：1

定義進口質量流量值：4L/min

從云圖6中我們可以看到，在不到1min的時間內，冷卻液充滿整個液冷板內腔。同時在流道的轉彎區有漩渦現象，有優化空間。

圖6 冷卻液流動云圖（動圖）

圖7 1c放電發熱功率

圖8通過STAR-CCM+仿真工具計算出來的液冷系統的壓力云圖，從仿真的結果上看，系統的壓降為1.8kPa，整個系統采用兩進兩出的兩個并聯結構，流量的均勻性必然滿足設計要求。

圖8 液冷系統流場分析

圖9為隨著時間變化的電池系統的溫度云圖，該工況模擬了新能源汽車在夏天室外環境曝曬一天后，啟動汽車進行高速行駛工況，屬于電池系統的高溫冷卻工況，圖10高溫冷卻電芯溫度變化曲線上，分析得出1C滿放的工況時，在冷卻系統作用下，最高溫度40.6℃，電芯間的最大溫差1.8℃，滿足熱設計目標，在曲線末端出現溫升現象，由圖7可看出電芯在放電末端發熱量較大，通過計算，第Ⅱ階段電芯的平均發熱量是第Ⅰ階段的1.8倍，導致曲線末端出現溫升現象。

圖9 高溫冷卻電芯溫度變化云圖（動圖）

圖10 高溫冷卻電芯溫度變化曲線

圖11為在常溫高速行車工況電池溫度隨著時間變化的溫度云圖，該工況模擬了一般常溫條件下，駕駛員在高速上高速行車。初始環境溫度為20℃，當監測點最低溫度大于38℃開啟冷卻系統，冷卻液單個進口流量4L/min，入口溫度22℃。圖12為常溫行車電芯監測點溫度變化曲線，總個工況分為兩個工作過程，分別為0-3368S液冷系統未開啟的第Ⅰ階段和3369s-3600s液冷系統開啟的第Ⅱ階段。在第Ⅰ階段，電芯溫度隨著放電進行持續升高，在第3368s最低溫38℃，溫差3.1℃，滿足系統設計目標5℃；在第Ⅱ階段的第3369s開始液冷系統進行冷卻，但溫度還繼續升高，一方面由于熱慣性的存在，另一方面，由于電芯放電末端發熱量倍增，導致開始冷系統后電芯溫度繼續上升主要因素。到了3548s由于冷卻系統作用電芯的溫度出現下降。整個過程最高溫度42.7℃，最大溫差3.2℃，滿足設計目標。

圖11 常溫高速行車電芯溫度變化云圖（動圖）

圖12常溫高速行車電芯溫度變化曲線

圖13為在低溫工況電池系統隨著時間變化的溫度云圖，該工況模擬了新能源汽車在冬季寒冷得季節放置車庫一夜后，啟動汽車把電池加熱到能工作溫度并進行高速行駛工況。初始環境溫度為-20℃，當監測點最低溫度不小于5℃時關閉液冷系統，冷卻液單個進口流量4L/min，入口溫度30℃。圖14為低溫行車電芯監測點溫度變化曲線，整個仿真過程包括低溫加熱和1c放電工況，在低溫加熱工況下，電芯監測點最高溫度10.9℃，最大溫差6℃，液冷系統加熱速率為1.6℃/min；1c放電工況，檢測點最高溫度30℃，放電末端溫差在3.7℃內。溫差整體先增大后減小，加熱拉大電芯溫差，放電過程溫差減小，主要是由于放電過程中每個電芯發熱量一樣，發熱較電芯底部加熱熱量更加均勻。