動(dòng)力電池包熱管理設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

彭豪 孟慶國 尹騫

摘 要：針對動(dòng)力電池包熱管理中系統(tǒng)溫度不均勻的問題，本文以某款液體循環(huán)冷暖一體化熱控方式的電池包為研究對象，通過Ansys-fluent對其液冷回路進(jìn)壓降仿真，并優(yōu)化液冷回路，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化前后系統(tǒng)的散熱/加熱性能，得出流量均勻性越好在液冷和液熱時(shí)，電池包內(nèi)電芯間的溫差越小，散熱以及加熱效率更高。為后續(xù)熱管理設(shè)計(jì)可將流道的設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)考察對象進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：液冷液熱 壓降仿真 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 熱管理設(shè)計(jì)

Abstract：Aiming at the problem of uneven system temperature in the thermal management of power battery packs， this paper takes a certain type of battery pack with a liquid circulation cooling and heating integrated thermal control method as the research object， and simulates the pressure drop of its liquid cooling circuit through Ansys-fluent， and optimizes the liquid cooling circuit， and finally verifies the heat dissipation/heating performance of the system before and after the optimization through experiments. It is concluded when liquid cooling and liquid heating， the temperature difference between the cells in the battery pack is smaller， and the heat dissipation and heating efficiency are higher. For the subsequent thermal management design， the flow channel design can be optimized as a key observation object.

Key words：liquid cooling liquid heating， pressure drop simulation， experimental verification， thermal management design

1 引言

隨著新能源汽車的行業(yè)的發(fā)展，動(dòng)力電池包的熱失控問題成為其發(fā)展的障礙;復(fù)雜的工況和高溫會導(dǎo)致電池系統(tǒng)溫度迅速升高，影響電池的反應(yīng)性能和循環(huán)壽命，甚至影響熱安全[1]。目前采用水冷板式液流換熱結(jié)構(gòu)，PCM相變散熱結(jié)構(gòu)基本上能夠滿足電池高溫冷卻的需要;但是難以保證電池系統(tǒng)溫差波動(dòng)范圍在5℃以內(nèi)[2];目前熱管理的側(cè)重在于如何控制系統(tǒng)的溫差。

電池包熱管理主要分為：低溫加熱和高溫散熱;當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)，必須對電池包采取加熱才能進(jìn)行充電，運(yùn)行時(shí)，由于電芯發(fā)熱，必須對電池包進(jìn)行水冷散熱。電池包不僅要保證溫度合適，而且必須保證電池包內(nèi)不電芯間的溫差合適。才能保證新能源汽車的續(xù)航里程和電芯的使用壽命，以及汽車的安全性。

為保證電池包在工作時(shí)溫度處在合適的范圍，并且電芯間溫差也能在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。本文采用Ansys-fluent對目前流行的液體循環(huán)冷暖一體化熱控方式（運(yùn)用流體回路進(jìn)行液冷液熱）的某款電池包液冷回路進(jìn)行壓降分析，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化液冷流道設(shè)計(jì)，在滿足散熱和加熱情況下，改善散熱和加熱時(shí)系統(tǒng)的溫度均勻性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。本文汽車電池包加熱溫差控制范圍在10℃以內(nèi);散熱時(shí)溫差范圍控制在5℃以內(nèi)。

2 仿真模型以及邊界條件

流場分析模型為流道以及水室的內(nèi)部空間，冷卻液為50%的乙二醇水溶液，粘度為3.39mPa·s（常溫）;網(wǎng)格為多面體網(wǎng)格。

3 仿真輸入

在高溫45℃的環(huán)境溫度，1C充放電條件下進(jìn)行液冷測試，在低溫-20℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行液熱測試;水冷管入口流量均為15L/min，入口水溫均為20℃;冷卻液為乙二醇水溶液（乙二醇占50%）。測試設(shè)備為新水冷測試平臺，星云充放電設(shè)備。

4 仿真輸出

4.1 在入口流量為15L/min，出口設(shè)置為0Pa的條件下，通過fluent對系統(tǒng)的流道進(jìn)行壓降分析，得到圖2所示的流道壓降圖。

根據(jù)初始的壓降分析結(jié)果可知：尾部雙層口琴管處壓降相較于前面單層水冷板的壓降小，容易導(dǎo)致加熱和散熱不均勻，可將尾部三通接口與雙層水冷管水室連接處的管徑減小，從而使各并聯(lián)回路中壓降平衡。優(yōu)化后的壓降分析結(jié)果，如圖3所示：

優(yōu)化后的各并聯(lián)回路的壓降較之前更加均勻，流阻稍有偏大。

5 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

根據(jù)仿真分析后，將優(yōu)化前、后兩種箱體放入水冷測試平臺溫箱中，利用星云充放電設(shè)備進(jìn)行高溫水冷工況以及低溫加熱工況的測試;優(yōu)化前后的箱體僅僅是水管不同，只需要跟換水管即可，進(jìn)行兩種箱體的測試。測試實(shí)際圖片，如圖4所示：

5.1 高溫冷卻工況結(jié)果

在環(huán)境溫度為40℃的溫箱中，設(shè)置水冷管入口流量為15L/min，入口溫度為20℃，1C放電工況下;測試得到優(yōu)化前后的系統(tǒng)隨溫度變化曲線圖，溫差曲線如下圖5、圖6所示：

優(yōu)化前電池包整體的溫度隨時(shí)間降，可知水冷效果滿足要求;放電結(jié)束時(shí)刻最高溫度35.1℃，最大溫差4.7℃，滿足熱設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化后電池包整體的溫度隨時(shí)間降，可知水冷效果滿足要求;實(shí)驗(yàn)結(jié)束最高溫度35.9℃。最大溫差3.2℃，滿足熱管理要求，溫差相對于優(yōu)化前降低1.5℃。

可知優(yōu)化后系統(tǒng)散熱更加均勻，有利于控制系統(tǒng)溫差，保證電芯使用壽命。

5.2 低溫加熱工況結(jié)果

在環(huán)境溫度為-20℃的溫箱中，水冷管入口流量為15L/min，入口溫度為20℃，1C放電工況下;測試得到優(yōu)化前后的系統(tǒng)隨溫度變化曲線溫差曲線圖，如圖7、圖8所示：

優(yōu)化前電池包整體，從-20℃升溫至5℃，用時(shí)47min，整個(gè)過程加熱過程最大溫差為9.1℃，滿足熱管理要求;優(yōu)化后電池包整體，從-20℃升溫至5℃，用時(shí)36min;整個(gè)加熱過程最大溫差為5.4℃，比A樣降低3.7℃，熱管理性能進(jìn)一步得到改善。

6 結(jié)論

內(nèi)置水冷能夠很好的保證水冷效果，關(guān)鍵在于保證系統(tǒng)內(nèi)溫差合適，通過調(diào)節(jié)流道流量均勻性，能夠較好的改善液冷、液熱的熱管理效率，使系統(tǒng)整機(jī)加熱、散熱更加均勻，溫差更幅度更小。

本文系武漢市級科技計(jì)劃項(xiàng)目（2020010602012073）研究成果之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙迎生，趙又群. 城市電動(dòng)汽車鉛酸蓄電池溫度的計(jì)算分析[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，19（1）：173-178. DOI：10.3969/j.issn.1005-0930.2011.01.020.

[2] 徐善紅，馬露杰，曾祥兵. 汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[J]. 科技視界，2013（26）：360-361.

作者簡介

彭豪：（1990—），男，湖北人，工學(xué)碩士，2017年畢業(yè)于武漢科技大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，現(xiàn)任武漢力神動(dòng)力電池系統(tǒng)科技有限公司產(chǎn)品開發(fā)工程師，主要研究方向?yàn)殡姵叵到y(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真工作。