PHEV電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化與仿真分析

吳政江，王長(zhǎng)江，鮑添增

（浙江衡遠(yuǎn)新能源科技有限公司，浙江 金華 321016）

目前，在能源緊缺和環(huán)境問(wèn)題的雙重壓力下，世界各國(guó)紛紛制定了燃油汽車禁售時(shí)間表，以電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車越來(lái)越受市場(chǎng)重視[1]?；陔妱?dòng)汽車高續(xù)航要求，動(dòng)力電池也正在往大容量、集成化的趨勢(shì)發(fā)展。

鋰離子電池與其他類型動(dòng)力電池相比，有工作電壓高、充放電效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)較明顯。但鋰電池對(duì)溫度特別敏感，低溫會(huì)導(dǎo)致電池容量衰減且有析鋰風(fēng)險(xiǎn)，高溫會(huì)導(dǎo)致壽命減短，同時(shí)有起火甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)[2-3]，保證動(dòng)力電池溫度處在合理的工作范圍內(nèi)，對(duì)動(dòng)力電池的使用性能及安全具有較大的意義。

對(duì)于鋰電池的冷卻方式主要包括被動(dòng)冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷、強(qiáng)制液冷、熱管冷卻、相變冷卻等[4]，文中的鋰離子動(dòng)力電池采用強(qiáng)制液冷方式進(jìn)行冷卻。這種散熱方式的優(yōu)點(diǎn)是散熱效率高、溫度均勻性較好、對(duì)環(huán)境要求較低，但設(shè)計(jì)較復(fù)雜且成本較高。目前針對(duì)純電動(dòng)汽車電池散熱多是采用該方式[5]。

本文利用Fluent仿真軟件，分析鋰電池包的液冷系統(tǒng)的流場(chǎng)及整個(gè)電池包的溫度場(chǎng)。通過(guò)仿真分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真分析優(yōu)化，并最終使得電池包液冷系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

經(jīng)過(guò)公式計(jì)算在流速最小區(qū)域計(jì)算雷諾數(shù)，判定為湍流。本文采用的湍流模型為k-ε可實(shí)現(xiàn)模型[6]進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。流體為恒密度不可壓縮流體。仿真計(jì)算需要滿足連續(xù)性方程[7]，即

制冷劑為不可壓縮流體，即

方程簡(jiǎn)化為

動(dòng)量方程為

能量方程為

式中，ρ為流體密度；t為時(shí)間；ux、uy、uz分別為速度矢量在x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸方向的的速度分量；ρc、Cpc分別為電芯的密度和比熱容；kcx、kcy、kcz分別為電芯在三個(gè)方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2 電池產(chǎn)熱模型

電芯發(fā)熱模型采用目前正在廣泛使用的Bernardi公式，電芯產(chǎn)熱主要包括可逆熱和不可逆熱，不可逆熱包括焦耳熱和極化熱，可逆反應(yīng)熱與電化學(xué)反應(yīng)的熵變相關(guān)[8]，即

式中，I為放電電流，充電為正，放電為負(fù)，A；Vb為電池單體體積；E為電池單體電壓；E0為電池開路電壓；T為溫度；為溫熵系數(shù)，V·K-1。

為驗(yàn)證電池包流場(chǎng)及溫度場(chǎng)仿真的準(zhǔn)確性，分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以保證結(jié)果的真實(shí)可靠。

2 模型介紹

插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV）電池包共包含16個(gè)電池模組，每個(gè)模組12個(gè)單體（2并6串），軟包電池單體容量為49.5 Ah。該液冷系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有四個(gè)冷卻回路，并聯(lián)連接，一層三個(gè)回路，二層一個(gè)回路。液冷板采用沖壓釬焊形式制作而成。電池包外殼是絕熱結(jié)構(gòu)，一般在整車環(huán)境下無(wú)強(qiáng)制風(fēng)冷整包不考慮外部散熱。電池包結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)示意圖

3 流場(chǎng)優(yōu)化

3.1 流場(chǎng)仿真

在液冷系統(tǒng)的優(yōu)化階段，為減少計(jì)算時(shí)間，單獨(dú)以液冷系統(tǒng)為模型建立流場(chǎng)仿真模型，提取液冷板和液冷管路的內(nèi)表面，建立流場(chǎng)仿真模型，網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格模型，生成三層邊界層，體網(wǎng)格數(shù)量為10×107個(gè)，如圖2所示。進(jìn)口為左側(cè)，設(shè)置為流量入口，流量為17 L/min，入口溫度為25 ℃，出口為右側(cè)設(shè)置為壓力出口。

圖2 液冷系統(tǒng)流場(chǎng)模型

在設(shè)計(jì)液冷系統(tǒng)時(shí)，有一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)為液冷系統(tǒng)整體壓力損失，并且應(yīng)小于泵設(shè)定的揚(yáng)程，因此，設(shè)計(jì)優(yōu)化中壓力損失優(yōu)化非常重要。而壓力損失實(shí)驗(yàn)只能得到總壓損數(shù)據(jù)，各零部件數(shù)據(jù)得到較困難，因此，本文根據(jù)仿真對(duì)電池液冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。仿真流場(chǎng)壓力損失云圖如圖3所示。

讀取部分構(gòu)件位置前后靜壓值，并作差值，得到構(gòu)件壓力損失，計(jì)算得出仿真結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)表明，入口及出口處三通在總壓損中占比最大，對(duì)總壓損影響最大。因此，降低總壓損最有效的措施是優(yōu)化進(jìn)出口三通。通過(guò)對(duì)局部阻力損失公式分析可知，由于局部速度過(guò)大，導(dǎo)致局部阻力系數(shù)較大，由此可見增加三通處管徑就可以降低流速。優(yōu)化方案為三通兩出口管徑由原來(lái)的6.5 mm增大至9.0 mm，液冷板出入口管徑由6.5 mm增大至9.0 mm。

圖3 液冷系統(tǒng)流場(chǎng)仿真靜壓圖

表1 局部構(gòu)件壓損仿真結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)更新數(shù)模后，重新進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真云圖如圖4所示，優(yōu)化后壓損由66.5 kPa降低至22.7 kPa。通過(guò)靜壓差得出各個(gè)構(gòu)件的壓力損失，并與優(yōu)化前對(duì)比，計(jì)算出優(yōu)化比例，得出的仿真結(jié)果如表2所示。從表中可以看出優(yōu)化后壓損由66.5 kPa降低至22.7 kPa，降低了60.6%的壓力損失，其中入口三通由24.9 kPa降低至5.4 kPa，降低了78.3%的壓力損失；出口三通由22.7 kPa降低至6.7 kPa，降低了70.5%的壓力損失；出入口三通位置，優(yōu)化占比最大，并且其他構(gòu)件壓損均有所下降。

圖4 液冷系統(tǒng)流場(chǎng)仿真靜壓圖

表2 優(yōu)化后局部構(gòu)件壓損仿真結(jié)果及優(yōu)化比例

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為保證仿真結(jié)果的可靠性，需要做液冷系統(tǒng)的壓損實(shí)驗(yàn)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)。實(shí)驗(yàn)儀器為液冷管路、液冷板、工裝、壓力檢測(cè)儀，水冷機(jī)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 壓損實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)步驟為連接液冷板與液冷管路，在液冷系統(tǒng)進(jìn)出水口處各連接工裝，工裝內(nèi)裝有壓力傳感器用于測(cè)量進(jìn)出口處?kù)o壓值，還有溫度傳感器用于監(jiān)控流體溫度，在工裝末端分別連接水冷機(jī)進(jìn)出水口，在冷水機(jī)內(nèi)加入冷卻液，設(shè)定流量和溫度并通入液冷系統(tǒng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄溫度和靜壓值數(shù)據(jù)。

圖6 液冷系統(tǒng)優(yōu)化前后壓損對(duì)比

實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行匯總對(duì)比，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化前后仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均相差不大，誤差在可接受范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化前壓損為60.1 kPa＞27 kPa，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；優(yōu)化后壓損為24.3 kPa＜27 kPa，符合設(shè)計(jì)要求。

4 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

4.1 溫度場(chǎng)仿真

建立電池包溫度場(chǎng)仿真模型，簡(jiǎn)化電池包部分結(jié)構(gòu)，考慮為絕熱條件，因此，省略對(duì)溫度場(chǎng)結(jié)果影響不大的線束、螺栓、安裝支架等零部件，模組采用簡(jiǎn)化后的模型，利用軟件對(duì)電池包進(jìn)行網(wǎng)格劃分。材料物性參數(shù)如表3所示。

表3 材料物性參數(shù)

仿真計(jì)算采用瞬態(tài)計(jì)算，熱源設(shè)置為利用用戶自定義函數(shù)（User Define Function, UDF）導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)測(cè)得電流數(shù)據(jù)，通過(guò)公式計(jì)算出電芯體積生熱率，模組均設(shè)置為體熱源。

電池包在67.6 kW工況下，應(yīng)當(dāng)保持最高溫度在55 ℃以內(nèi)，且不同模組間溫差小于5 ℃。該電池包的整包內(nèi)阻已通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，整包內(nèi)阻約為83.6 mΩ，將該值導(dǎo)入U(xiǎn)DF進(jìn)行計(jì)算，如圖7所示。

圖7 電池包溫度云圖

仿真結(jié)果表明，在67.6 kW工況下，電池包最高溫度為53.2 ℃，模組頂面中心溫度的最大溫差為0.19 ℃，最高溫度上升4.2 ℃左右，整體符合設(shè)計(jì)要求。

水冷板處于模組下側(cè)使得模組下側(cè)溫度較模組上側(cè)更高，因此，模組上下表面溫差問(wèn)題會(huì)比較突出，在電池包設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意控制模組內(nèi)部最大溫差。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電池包充放電設(shè)備、水管、固定流量水泵、多路設(shè)備、帶負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient, NTC）的電池模組、電池包，測(cè)試環(huán)境如圖8所示。

圖8 電池包熱管理測(cè)試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.實(shí)驗(yàn)方法

在0%荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）下，利用充放電機(jī)柜對(duì)電池包進(jìn)行充放電，同時(shí)打開水泵，通過(guò)多路設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)記錄電池模組內(nèi)部NTC溫度，最后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖9 仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)

在衡遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)室完成50 kW充電實(shí)驗(yàn)，并完成仿真結(jié)果對(duì)比，仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)如圖9所示。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中電池包溫度由21.0 ℃升至32.6 ℃，溫升為11.6 ℃；仿真中電池包溫度由20.5 ℃升至32.2 ℃，溫升為11.7 ℃，基本一致。

5 結(jié)論

本文利用仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析優(yōu)化。流場(chǎng)仿真和流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，初步方案壓力損失為大約60 kPa，仿真結(jié)果顯示，壓力損失較大處為出入口三通處，通過(guò)增大管徑的方式進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的壓力損失約為26 kPa，符合設(shè)計(jì)要求。溫度場(chǎng)仿真結(jié)果表明，電池包內(nèi)最高溫度、最大溫差和最高溫升均，滿足電池包設(shè)計(jì)要求，并通過(guò)熱管理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。電池包的流場(chǎng)仿真及溫度場(chǎng)仿真在電池包熱管理設(shè)計(jì)優(yōu)化和性能驗(yàn)證方面起著重要的指導(dǎo)性作用。