楊樂樂，劉海羅，信召峰，安占旺，劉帥

（力神動力電池系統(tǒng)有限公司，天津 300384）

引言

隨著國家對電動汽車的大力支持，純電動汽車在逐漸全面推廣。車企和消費(fèi)者對電動汽車有長續(xù)航、高安全、長壽命和低價格的要求。液冷系統(tǒng)在電池系統(tǒng)中起到重要作用。鋰電池的最佳工作溫度范圍為25 ℃～40 ℃，溫度過高或過低會導(dǎo)致電池安全問題，降低電池使用壽命[1]。某電動客車應(yīng)用液冷系統(tǒng)，通過熱仿真分析，電池的最大溫升可以控制在10 K以內(nèi)，通過增大冷卻液流量可以提高電池的散熱能力[2]。在軟包電池上應(yīng)用液冷系統(tǒng)，通過熱仿真分析優(yōu)化液冷板肋條高度，提升電池溫度的均勻性[3]。研究人員設(shè)計(jì)了鋁板/相變材料/液冷相結(jié)合的新型散熱結(jié)構(gòu)，并通過熱仿真優(yōu)化并確認(rèn)此結(jié)構(gòu)能夠較好地控制電池的溫度均勻性和有效性[4-5]。

在兼顧高能量與高安全的同時，本文設(shè)計(jì)一款底部集成液冷板的電池箱，并應(yīng)有高能量密度的軟包電池。在液冷系統(tǒng)管理下，提高電池的安全性。應(yīng)用FLUENT仿真軟件對液冷系統(tǒng)的壓力場進(jìn)行分析，在1 C放電倍率下，對電池系統(tǒng)的溫度場分析，保證設(shè)計(jì)的可靠性。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

本文采用半經(jīng)驗(yàn)公式標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，主要是基于湍流動能和擴(kuò)散率。k方程是一個精確方程，ε方程是一個由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。k-ε模型假定流場完全是湍流，分子之間的黏性可以忽略。因此標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型只對完全是湍流的流場有效，方程如式（1）和式（2）所示。

式中，Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能，Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能，Yk為由于在可壓縮湍流中過度擴(kuò)散而產(chǎn)生的波動，cε1、cε2、cε3為常量，σk和σε為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)，Sk和Sε是用戶定義的。

1.2 物理模型

本文采用CATIA對電池系統(tǒng)進(jìn)行三維建模如圖1所示，液冷板三維模型如圖2所示，流體域模型如圖3所示。電池系統(tǒng)由4個2P24S模組串聯(lián)而成，電芯為軟包電芯，液冷板是沖壓釬焊形式，液冷板集成在下箱體底部，液冷板與下箱體框架攪拌摩擦焊接，模組與液冷板之間設(shè)有導(dǎo)熱膠，確保模組與液冷板接觸良好。液冷板底部還設(shè)有隔熱保溫墊，整個箱體為鋁材質(zhì)，冷卻液選用乙二醇防止冬季液體凝固。

圖1 電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 液冷板結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 流體域結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 網(wǎng)格劃分

由于電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格劃分難度較大，為了便于計(jì)算需要對電池系統(tǒng)進(jìn)行簡化，這里對發(fā)熱量相對較小的零部件忽略不計(jì)，刪除系統(tǒng)中的圓倒角，因此整個動力電池冷卻系統(tǒng)需要考慮的零部件包括：電池箱側(cè)壁和模組底部的熱管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用多面體網(wǎng)格劃分方式，劃分后模型網(wǎng)格總數(shù)為11 090 158，內(nèi)部水流模型設(shè)置邊界層為2，網(wǎng)格質(zhì)量為0.88，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

本文采用skewness的評價方法，在網(wǎng)格劃分中絕大部分的單元為優(yōu)質(zhì)單元，只有少量的劣質(zhì)單元，在計(jì)算時并不會影響計(jì)算結(jié)果的精度和可靠性。

1.4 邊界條件的定義

該電池散熱系統(tǒng)由四部分組成：電池、導(dǎo)熱膠、液冷板、冷卻液，其中電池為軟包電池，導(dǎo)熱膠為硅膠，液冷板為 3系鋁板，冷卻液為乙二醇溶液，材料屬性見表1。

表1 材料屬性

流體模型設(shè)置三維定常不可壓縮模型，同時打開能量方程。冷卻液流過箱體底部，通過熱傳遞形式將電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱量帶走。設(shè)置進(jìn)水口流量分別為10 L/min、12 L/min，常溫25 ℃，冷卻液25 ℃，1 C放電3240 s（剩余10%SOC），進(jìn)行仿真分析。

2 仿真結(jié)果

2.1 10 L/min流量下的仿真分析

圖4是進(jìn)水口流量為10 L/min的進(jìn)出水口壓差云圖，進(jìn)出口壓差為26.9 kPa。壓力損失主要在進(jìn)口處。

圖4 10 L/min流量下進(jìn)出水口壓差云圖

針對此液冷系統(tǒng)，在1 C放電倍率下，通溫度為25 ℃冷卻液，進(jìn)口流量為10 L/min，放電3 240 s（剩余10%SOC）。

圖5為10 L/min流量下電池溫度云圖，圖6為10 L/min流量下冷卻液溫度云圖。從圖中可以看出電池頂部為最高溫度位置，溫度達(dá)到38.4 ℃，電池底部為最低溫度位置，溫度為29.4 ℃，頂?shù)鬃畲鬁夭顬? ℃，出現(xiàn)的原因是液冷板位于底部，電池底部接觸液冷板，底部冷卻效果好，頂部冷卻效果差。進(jìn)出水口溫差1.2 ℃。

圖5 10 L/min流量下電池溫度云圖

圖6 10 L/min流量下冷卻液溫度云圖

2.2 12 L/min流量下的仿真分析

圖7是進(jìn)水口流量為12 L/min的進(jìn)出水口壓差云圖，進(jìn)出口壓差為37.6 kPa，壓力損失主要在進(jìn)口處。

圖7 12 L/min流量下進(jìn)出水口壓差云圖

針對此液冷系統(tǒng)，在1 C放電倍率下，通溫度為25 ℃冷卻液，進(jìn)口流量為12 L/min，放電3 240 s（剩余10%SOC）。

圖8為12 L/min流量下電池溫度云圖，圖9為12 L/min流量下冷卻液溫度云圖。從圖中可以看出電池頂部為最高溫度位置，溫度達(dá)到38.2 ℃，電池底部為最低溫度位置，溫度為29.4 ℃，頂?shù)鬃畲鬁夭顬?.8 ℃，出現(xiàn)的原因是液冷板位于底部，電池底部接觸液冷板，底部冷卻效果好，頂部冷卻效果差。進(jìn)出水口溫差1.0 ℃。

圖8 12 L/min流量下電池溫度云圖

圖9 12 L/min流量下冷卻液溫度云圖

2.3 不同流量下的仿真分析

表2是電池系統(tǒng)在進(jìn)口流量為10 L/min和12 L/min下電池最高溫度、電池頂?shù)诇夭?、進(jìn)出口溫差及進(jìn)出口壓差的數(shù)據(jù)。進(jìn)口流量從10 L/min增加到12 L/min，電池最高溫度降低0.2 ℃，降低0.5%；電池頂?shù)诇夭罱档?.2 ℃，降低2.2%；進(jìn)出口溫差降低0.2 ℃，降低16.6%；進(jìn)出口壓差增加了10.7 kPa，增加39.7%。這說明增加進(jìn)口流量可以改善電池的均溫性，但效果不明顯；但增加進(jìn)口流量使進(jìn)出口壓差顯著增大。綜上在選擇進(jìn)口流量時，需要綜合考慮溫差與壓差。

表2 不同進(jìn)水口流量的仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款液冷集成下箱體，并研究此液冷系統(tǒng)對軟包電芯冷卻能力。通過仿真分析了不同的進(jìn)水口流量對電池最高溫度、電池頂?shù)诇夭?、進(jìn)出口溫差及進(jìn)出口壓差的影響。隨著進(jìn)水口流量的增加，電池的最高溫度、電池頂?shù)诇夭罴斑M(jìn)出口的溫差都逐漸降低，但變化不明顯，增大進(jìn)口流量會顯著增大液冷系統(tǒng)進(jìn)出口壓差。