電動(dòng)汽車動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)有限元仿真分析及優(yōu)化

雷 藝，林 松，林東強(qiáng)，陳德燈，方 正

（1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.北部灣大學(xué)機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535000）

0 引言

安全性能是動(dòng)力電池發(fā)展的首要標(biāo)準(zhǔn)，而安全性與溫度性能、穩(wěn)定性和耐久性等因素密切相關(guān)[1]。動(dòng)力電池自燃事件頻發(fā)，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全，給消費(fèi)者帶來極大的心理創(chuàng)傷。動(dòng)力電池的冷卻系統(tǒng)在動(dòng)力電池使用過程中起到極其關(guān)鍵的作用。

冷卻系統(tǒng)使用得比較多的是風(fēng)冷卻系統(tǒng)和水冷卻系統(tǒng)，但是液態(tài)冷卻系統(tǒng)的冷卻效率比較高，普遍應(yīng)用在純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包的冷卻系統(tǒng)中。彭影[2]等對(duì)磷酸鐵鋰離子電池組的冷卻進(jìn)行了研究，其通過使用在不同工況和溫度條件下自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流仿真和油冷卻方法。閔小藤等[3]設(shè)計(jì)了微小通道波形液冷卻扁管，通過改變管與電池圓柱形鋰離子電池的角度增大導(dǎo)熱性能和變換波形扁管內(nèi)部管道數(shù)量提高冷切效率及電池散熱均勻度。Deng 等[4]研究了U 形狀蛇形通道矩形鋰離子電池?zé)峁芾恚姵亟M的電池芯與電池芯之間有蛇形微型通道冷板隔離。

以某款磷酸鐵鋰鋰離子動(dòng)力電池作為研究對(duì)象，對(duì)熱管理冷卻水箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與改進(jìn)。通過對(duì)冷卻水箱進(jìn)行散熱仿真模擬，對(duì)影響該電池水箱冷卻效果進(jìn)行分析。利用電池組單體電池通常行駛最高復(fù)雜工況和國(guó)內(nèi)均衡溫度作為對(duì)比，對(duì)該電池組冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，最后得到優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)模型。

1 建立動(dòng)力電池包冷卻系統(tǒng)模型

1.1 建立動(dòng)力電池包冷卻系統(tǒng)幾何模型

通過某車型動(dòng)力電池包的相關(guān)參數(shù)，利用CATIA三維軟件建立原車1P5S 電池模組液冷模型，如圖1所示。

圖1 電池組也冷卻模型

1.2 建立動(dòng)力電池包冷卻系統(tǒng)有限元模型

將原結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入Workbench 軟件，利用Geom原etry 模塊對(duì)電池模組建立流體域及對(duì)單體電池正負(fù)接柱固體域進(jìn)行簡(jiǎn)化。創(chuàng)建電池與冷卻管的導(dǎo)熱面和所需的觀察面，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)注和共享。

使用Workbench 軟件內(nèi)部的Mesh 模塊，對(duì)電池組原結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇CFD 編輯模式，通過手動(dòng)調(diào)整對(duì)流體域與固體域的模型進(jìn)行網(wǎng)格的分化，流道和流體部分是主要熱交換部分網(wǎng)格單元尺寸為2.0 mm；電池為熱源劃分網(wǎng)格單元尺寸為8.0 mm；總體結(jié)果：節(jié)點(diǎn)為1.759伊105，單元格為9.565伊105，單元格平均質(zhì)量為0.8，平均縱橫比為1.985。如圖2所示為動(dòng)力電池包的有限元模型。

圖2 電池包有限元模型

2 動(dòng)力電池包冷卻系統(tǒng)仿真分析

溫度對(duì)鋰離子電池有很大的影響，新能源電動(dòng)汽動(dòng)力電池包空間有限，鋰離子電池被密集地包裝在車輛的電池箱里。當(dāng)車輛工作時(shí)電池焦耳熱和極化熱以及反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和副反應(yīng)熱會(huì)被積累在電池包內(nèi)部電池組工作環(huán)境溫度會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致電池組內(nèi)部的溫度升高和溫度分布不均勻降低電池組供放電能力，循環(huán)使用壽命，甚至可能導(dǎo)致熱控制失效，影響車輛安全性和續(xù)航里程。

磷酸鐵鋰電池最適合的工作范圍為20～45 益，溫差小于5 益；可接受范圍為20 ～ 60 益，溫差在5 ～10 益。鋰電池內(nèi)部產(chǎn)熱量主要有兩個(gè)過程，分為可逆過程和不可逆過程。可逆過程熱量為離子化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，充電時(shí)表現(xiàn)為吸熱，放電時(shí)表現(xiàn)為放熱；不可逆過程熱量包括焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的焦耳熱和極化效應(yīng)產(chǎn)生的熱量。徐蒙[5]對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池充電和放電過程中的產(chǎn)熱速率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和模型建立，發(fā)現(xiàn)在不同倍率的放電過程中可逆熱和不可逆熱的占比有很大的不同，在低倍率為0.5C 下化學(xué)反應(yīng)熱起主導(dǎo)作用，而隨著倍率的提高焦耳熱的比例逐漸超過化學(xué)反應(yīng)熱，在5C 倍率時(shí)達(dá)到反應(yīng)熱的6～7 倍。本文使用Ansys Fluent 軟件，對(duì)電池模組采用液冷類型傳熱進(jìn)行仿真分析。

將原結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent 軟件中，如圖3 所示。然后對(duì)模型材料進(jìn)行分化，并添加設(shè)置參數(shù)。接著考慮仿真過程中流體域與固體域和固體域與固體域之間的界面熱傳導(dǎo)。最后通過有上述所獲得參數(shù)對(duì)邊界條件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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圖3 仿真模型示意圖

在對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真時(shí)從多個(gè)方面進(jìn)行分析，由于電池在散熱過程中熱量傳遞的主要方向是由上到下，因此最高溫度出現(xiàn)在電池頂部的截面上，對(duì)比的關(guān)鍵參數(shù)為：（1）冷卻液出口溫度；（2）電池的最高溫度；（3）電池頂部截面的最大溫差；（4）各單體電池流向和底部截面溫差。

給定初始條件后計(jì)算得出原有結(jié)構(gòu)的出口溫度為30.71 益，電池側(cè)面溫度分布呈階梯狀如圖4 所示，與丁毅[6]的仿真結(jié)果吻合，證明該模型的設(shè)置參數(shù)在合理范圍之內(nèi)。

圖4 原結(jié)構(gòu)電池側(cè)面溫度分布圖

電池的頂部截面溫度分布如圖5 所示。

圖5 原結(jié)構(gòu)電池頂部截面溫度分布圖

頂部截面最高溫度為50.36 益，最低溫度為44.43 益，最大溫差為5.93 益。冷卻液流道內(nèi)溫度分布比較均勻，沿著流動(dòng)方向均勻變化，流動(dòng)垂直方向上溫度大部分聚集在電池底部，冷卻管道截面溫度分布如6 圖所示。

圖6 原結(jié)構(gòu)流道截面溫度分布圖

電池底部與溫度最低的冷卻液管道接觸，管道的總寬度為84 mm，而電池對(duì)應(yīng)的寬度為152 mm，因此底部容易產(chǎn)生溫度不均勻的現(xiàn)象，其截面溫度分布如圖7 所示。

圖7 原結(jié)構(gòu)電池底部截面溫度分布圖

各單體電池底部溫差如8 圖所示。

結(jié)合圖7 和圖8 可以看出，與管道距離較近的位置溫度最低，單個(gè)電池兩端和中心產(chǎn)生了較大的溫差，而在冷卻液流動(dòng)方向的垂直截面上，溫度分布以管道處為中心呈擴(kuò)散形狀向外分布。電池內(nèi)部熱量分布差異較大，如圖9 所示。

圖8 原結(jié)構(gòu)單體電池底部截面溫差

圖9 原結(jié)構(gòu)流動(dòng)方向截面溫度分布

電池組各單體成流動(dòng)方向側(cè)截面溫差，如圖10所示。

圖10 原結(jié)構(gòu)流動(dòng)方向截面溫度溫差

通過參考文獻(xiàn)提供的有效基本參數(shù)結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)參數(shù)，計(jì)算出本研究所需要的電池物理參數(shù)，從查看大量參考文獻(xiàn)書籍及網(wǎng)絡(luò)信息獲得，動(dòng)力電池以1C 的倍率放電完全可以，滿足純電動(dòng)汽車在正常行駛條件。其為了減小仿真與實(shí)際環(huán)境情況的差異，通過選用0.1 m/s 較低冷卻流速和增加20%生熱功率的方法確定仿真相關(guān)參數(shù)和邊界條件。

利用Fluent 軟件對(duì)原結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池組冷卻模進(jìn)行仿真分析，從散熱性能和溫度場(chǎng)獲得以下結(jié)論。

當(dāng)25 益冷卻液以0.1 m/s 流速進(jìn)入冷卻管道，冷卻1C 倍率放電下的電池組，電池組最高溫度和溫差控制在溫度20 ～ 60 益，溫差5 ～ 10 益的可接受范圍，但未能達(dá)到電池的最佳溫度范圍。通過截面云圖，可以看出電池組溫度成梯形分布，冷卻液流道內(nèi)溫度分布比較均勻。由于冷卻板與電池底接觸冷卻導(dǎo)熱面積較小，導(dǎo)致電池底部產(chǎn)生溫度分布不均現(xiàn)象，因此需要對(duì)此問題進(jìn)行優(yōu)化。

3 電池包冷卻系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于原結(jié)構(gòu)的溫度仿真結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過原結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其主要問題是電池底部冷卻不均，由于鋁金屬材料導(dǎo)熱性能良好與銅、石墨烯、金、銀、稀有材料等導(dǎo)熱材料相比價(jià)格低廉，其優(yōu)化方案為在電池底部增加長(zhǎng)152 mm、寬80 mm、厚度為3 mm 的導(dǎo)熱鋁板，這樣做的目的是減少電池底部的溫差，原理是鋁材料的導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)于電池材料且各個(gè)方向?qū)嵯禂?shù)相同，改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)如圖11 所示。

圖11 改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)圖

對(duì)此結(jié)構(gòu)建模后進(jìn)行計(jì)算得出：出口溫度為30.72 益，頂部最高溫度為48.27 益，最低溫度為42.98 益，最大溫差為5.38 益。頂部截面溫度分布如圖12 所示。

圖12 改進(jìn)方案一電池頂部溫度分布圖

從下圖13 所示的電池底部溫度分布圖中，可以看出單體電池底部溫度圖顏色與原結(jié)構(gòu)電池部溫度圖顏色相比明顯均勻許多。從圖14 中可以看出，原結(jié)構(gòu)電池底部溫差在8.5 ～ 9.15 益間，改進(jìn)后底部溫差在3.3 ～ 3.95 益，溫差降低了5.2 益。

圖13 改進(jìn)方案一電池底部溫度分布圖

圖14 原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案一單體電池底截面溫差圖

如圖15 所示為采用增大電池底部與冷板的接觸導(dǎo)熱面積冷卻單體電池時(shí)電池流向截面云圖溫度變化。從圖中可以容易看出，電池截面呈現(xiàn)出三個(gè)比較有規(guī)則的不同的溫度層。從圖16 的原模型和改進(jìn)后的各單體電池截面溫差，可以知道原模型截面溫差在12.90 ～ 13.25 益，改進(jìn)模型溫差在10.10 ～10.30 益，相比溫差減小2.80 ～ 2.95 益間。

圖15 改進(jìn)方案流動(dòng)方向截面溫度分布圖

圖16 原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案流動(dòng)方向截面溫度溫差

根據(jù)改進(jìn)方案的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頂部最高溫度和最低溫度均有下降，散熱效率提高，流動(dòng)方向上的電池截面等溫線從原來中心擴(kuò)散狀，變得更加趨近于直線，但最大溫差下降了不到1 益。分析原因是鋁板只優(yōu)化了單個(gè)電池內(nèi)部的溫度均勻性和電池底面的換熱效率，電池整體的溫差較大是由于從入口進(jìn)入的低溫制冷液逐漸被電池加熱，制冷液與電池的溫差逐漸減小，導(dǎo)致散熱量減小。進(jìn)一步對(duì)冷卻液管道進(jìn)行優(yōu)化，冷卻效果更佳好。

4 結(jié)語(yǔ)

基于某純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的改進(jìn)，首先對(duì)某純電動(dòng)汽車電池包、電池模組和熱管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，利用三維建模軟件建立電池模組冷卻結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)磷酸鐵鋰鋰離子單體電池的反應(yīng)和生熱特性，建立了電池導(dǎo)熱模型，然后對(duì)實(shí)車電池組液冷卻模型進(jìn)行仿真，得出仿真結(jié)論后提出優(yōu)化方法，最后電池組溫度均勻分布特性獲得有效提高。