基于CFD數(shù)值模擬的動(dòng)力鋰電池溫度場(chǎng)研究

摘 要：采用CFD數(shù)值模擬對(duì)新能源汽車動(dòng)力鋰電池包內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，電池包采取強(qiáng)制風(fēng)冷方式，冷卻氣流流量為140m3/h。設(shè)定汽車夏季運(yùn)行環(huán)境溫度35℃和40℃，冷卻氣流溫度為25℃和30℃，對(duì)某型號(hào)電池包在1C放電倍率和1.5C充電倍率，共四種工況下數(shù)值模擬分析其內(nèi)部溫度場(chǎng)分布，得出電池包內(nèi)部氣流速度流線圖、氣流溫度流線圖、電池包內(nèi)部切面溫度云圖、電池模組表面溫度云圖以及表面平均溫度值等結(jié)果。對(duì)比四種工況下的模擬分析結(jié)果，隨著靠近電池包出口區(qū)域距離減小，電池模組表面溫度明顯上升，模組4表面溫度最高，且溫度最高區(qū)域在模組的中央；各模組內(nèi)部切面溫度呈現(xiàn)階梯狀分布，模組4切面溫度最高；工況1和工況2下各模組表面溫度滿足設(shè)計(jì)要求，工況3和工況4下需進(jìn)一步優(yōu)化電池包模組和冷卻流道。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬 CFD 動(dòng)力鋰電池 放電倍率 溫度場(chǎng)

由于鋰離子電池具有高功率密度、工作電壓高、無記憶效應(yīng)、較優(yōu)的充放電深度、低自放電、材料環(huán)保無污染、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，被認(rèn)為是電動(dòng)汽車領(lǐng)域最有前景的動(dòng)力電池。整車在不同工況下行駛時(shí)，鋰離子電池的輸出電流隨之變化，電池單體和電池包內(nèi)部會(huì)伴隨著不同程度地?zé)崃慨a(chǎn)生。電池尤其在大電流的快速充放電循環(huán)中會(huì)產(chǎn)生大量熱能，且電池模組的壽命與單體電池的溫度、溫度均勻性有著密切關(guān)系[1]。

鋰離子電池的高溫會(huì)加速電池的容量退化，縮短使用壽命，甚至電池內(nèi)部集聚大量熱能得不到及時(shí)釋放，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車產(chǎn)生重大安全隱患，如過熱、燃燒和電池爆炸等發(fā)生[2-3]。電動(dòng)汽車實(shí)際使用時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到復(fù)雜的工況，如怠速、急加速、急減速、山路爬坡等工況，此時(shí)電池充放電流在0.5C至3C之間。除此之外，夏天高溫的環(huán)境，給動(dòng)力電池具有高效熱管理技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。動(dòng)力電池受溫度影響明顯，過高或者過低的溫度，均會(huì)影響到電池內(nèi)部的反應(yīng)速率。與此同時(shí)，低溫時(shí)鋰離子傳輸?shù)淖枇ψ兇?，?dòng)力電池內(nèi)部不易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，影響充放電效率。

1 研究現(xiàn)狀

黃鈺期等人采用CFD中的多孔介質(zhì)簡(jiǎn)化模型對(duì)電動(dòng)汽車電池包的加熱方案評(píng)估，電池包從-13℃加熱到5℃，且電池區(qū)域最大溫差控制在5℃以內(nèi)[4]。呂超等人采用Fluent對(duì)電池單體、電池包溫度進(jìn)行分析，通過改變出風(fēng)孔數(shù)量和風(fēng)扇擋板形狀改善冷卻系統(tǒng)的冷卻效果[5]。路昭等人建立了動(dòng)力電池組三維模型，得出進(jìn)風(fēng)速度、導(dǎo)熱翅片數(shù)量和熱導(dǎo)率對(duì)動(dòng)力電池組溫度特性和流動(dòng)特性的影響規(guī)律[6]。Zhao G等人提出了一種新型的等腰梯形風(fēng)冷電池布局，以提高系統(tǒng)的散熱性能[7]。陳凱等人基于并行流道風(fēng)冷式動(dòng)力電池的導(dǎo)流板形狀，提出一種優(yōu)化方法，優(yōu)化后的系統(tǒng)在保證系統(tǒng)壓降基本不變的情況下，電池組溫差減小48%以上[8]。董彬等人以R134a為冷卻介質(zhì)設(shè)計(jì)了動(dòng)力電池噴霧冷卻換熱測(cè)試裝置，研究了噴口直徑、節(jié)流閥壓差、制冷劑充注量等因素對(duì)動(dòng)力電池噴霧冷卻換熱特性的影響[9]。

研究電池包在充電和放電下強(qiáng)制風(fēng)冷式熱管理，對(duì)動(dòng)力電池包內(nèi)部冷卻氣流速度、溫度流線特性、電池模組表面溫度均勻性、電池模組的散熱機(jī)理有著重要意義。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 模型及網(wǎng)格劃分

該型號(hào)動(dòng)力鋰電池包共計(jì)112塊單體電芯，單體電芯電壓為3.2V，容量為150AH的磷酸鐵鋰。電池包內(nèi)部采用強(qiáng)制風(fēng)冷設(shè)計(jì)，入口冷卻氣流由空調(diào)HVAC提供，設(shè)定冷卻氣流溫度為25℃和30℃、氣流流量為140m3/h，電池包出口處利用冷卻風(fēng)扇通過冷卻風(fēng)道進(jìn)行抽吸。采用CATIA三維軟件對(duì)動(dòng)力鋰電池包殼體、內(nèi)部電池模組、加熱PTC進(jìn)行三維模型建立。動(dòng)力鋰電池包殼體三維模型，如圖1所示。動(dòng)力鋰電池包內(nèi)部電池模組布置三維模型，如圖2所示。模組1、模組2、模組3和模組4，串聯(lián)芯體數(shù)量分別為24、24、26、38塊。

考慮到結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠?qū)﹄姵匕鼉?nèi)部流體區(qū)域有著更精細(xì)的網(wǎng)格劃分，數(shù)值模擬計(jì)算分析會(huì)有更好地收斂性，故整個(gè)流體計(jì)算域使用軟件ANSYS ICEM 進(jìn)行結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，最后網(wǎng)格以cfx5格式導(dǎo)出。通過對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量的模型分析結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了模型計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量的無關(guān)性，最終確定電池包模型體網(wǎng)格數(shù)量為1310萬網(wǎng)格。

2.2 湍流模型

模型分析選取RNG k-ε湍流模型對(duì)動(dòng)力鋰電池包內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行求解，RNG k-ε湍流模型，如下：

取σk=σε= 0.718，Cμ=0.0845，η0=4.377，β=0.012，C1ε=1.42，C2ε=1.68。

2.3 邊界條件及工況

考慮對(duì)流及熱傳導(dǎo)，采用STAR-CCM+軟件對(duì)動(dòng)力鋰電池包內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行定常數(shù)值模擬計(jì)算分析。為了降低電池包溫度場(chǎng)分析的復(fù)雜程度，對(duì)電池模組細(xì)節(jié)做簡(jiǎn)化處理。在夏季汽車運(yùn)行環(huán)境溫度35℃和40℃，冷卻氣流流量為140m3/h，溫度為25℃和30℃，電池模組以1C放電倍率和1.5C充電倍率工作，共四種工況。動(dòng)力鋰電池包數(shù)值模擬分析工況，如表1所示。

3 結(jié)果分析

受篇幅的限制，僅給出了冷卻氣流溫度為25℃工況下，CFD數(shù)值模擬的結(jié)果云圖，即是工況1和工況3。動(dòng)力鋰電池包內(nèi)部氣流速度流線圖，如圖3所示。從圖中可以看出，在電池包冷卻氣流的進(jìn)口和出口區(qū)域氣流的速度較高，在中部區(qū)域氣流速度較低，存在明顯的湍流區(qū)域，該湍流主要是受到模組和電池包殼體干擾而引起的。在電池包進(jìn)口冷卻氣流溫度為25℃時(shí)，1C放電倍率和1.5C充電倍率工況內(nèi)部氣流速度流線圖無明顯差異。

動(dòng)力鋰電池包內(nèi)部氣流溫度流線圖，如圖4所示。從圖中可以看出，在電池包冷卻氣流在進(jìn)口區(qū)域溫度較低，隨著冷卻氣流流過電池模組，經(jīng)過模組的加熱，在出口區(qū)域氣流溫度呈現(xiàn)明顯升高趨勢(shì)。在電池包進(jìn)口冷卻氣流溫度為25℃時(shí)，1.5C充電倍率比1C放電倍率工況下，內(nèi)部氣流溫度從進(jìn)口到出口區(qū)域上升尤為明顯，在出口區(qū)域氣流溫度分別約為51℃，37℃，說明1.5C充電倍率下電池模組放熱量遠(yuǎn)高于1C放電倍率的放熱量。

動(dòng)力鋰電池模組表面溫度圖，如圖5所示。從圖中可以看出，在電池包進(jìn)口區(qū)域的電池模組表面溫度較低，與進(jìn)口冷卻氣流溫度相近。隨著靠近電池包出口區(qū)域距離減小，電池模組表面溫度明顯上升，模組4表面溫度最高，且溫度最高區(qū)域在模組的中央，可以說明由38塊電芯串聯(lián)組成的模組發(fā)熱量較為集中，受散熱面積的影響，冷卻氣流不能快遞地把表面溫度熱量帶走。通過把該減少模組的電池芯體數(shù)量，或者模組中間布置冷卻氣流通道，可以改善熱量集中的問題。在電池包進(jìn)口冷卻氣流溫度為25℃時(shí)，1.5C充電倍率比1C放電倍率工況下，模組表面溫度從進(jìn)口到出口區(qū)域上升尤為明顯，與圖4中現(xiàn)象吻合，在電池包出口區(qū)域模組4表面最高溫度分別約為55℃，95℃。

動(dòng)力鋰電池包內(nèi)部切面溫度云圖，如圖6所示。從圖中可以看出，從冷卻氣流進(jìn)口區(qū)域到出口區(qū)域，電池包內(nèi)部切面溫度快速升高，1C放電倍率工況下從25℃升高至55℃，1.5C充電倍率工況下從25℃升高至96℃。各模組內(nèi)部切面溫度呈現(xiàn)階梯狀分布，最高溫度均分布在模組中心區(qū)域，模組4切面溫度最高，與圖5現(xiàn)象吻合。

對(duì)電池包內(nèi)部4個(gè)模組表面溫度統(tǒng)計(jì)平均值，不同工況下電池包模組表面平均溫度，如表2所示。根據(jù)電池芯體工作壽命的要求，電池包內(nèi)部模組工作表面溫度≤55℃，從表2中可以看出，工況1和工況2下各模組表面溫度滿足設(shè)計(jì)要求，工況3和工況4下除模組2表面溫度滿足設(shè)計(jì)要求之外，其它3個(gè)模組表面溫度均不滿足設(shè)計(jì)要求，后續(xù)開展電池包模組及冷卻流道優(yōu)化。

4 總結(jié)

（1）在電池包進(jìn)口冷卻氣流溫度為25℃時(shí)，1C放電倍率和1.5C充電倍率工況內(nèi)部氣流速度流線圖無明顯差異。1.5C充電倍率比1C放電倍率工況下，內(nèi)部氣流溫度從進(jìn)口到出口區(qū)域上升尤為明顯，在出口區(qū)域氣流溫度分別約為51℃，37℃。

（2）隨著靠近電池包出口區(qū)域距離減小，電池模組表面溫度明顯上升，模組4表面溫度最高，且溫度最高區(qū)域在模組的中央。各模組內(nèi)部切面溫度呈現(xiàn)階梯狀分布，模組4切面溫度最高。

（3）工況1和工況2下各模組表面溫度滿足設(shè)計(jì)要求，工況3和工況4下有3個(gè)模組表面溫度均不滿足設(shè)計(jì)要求，后續(xù)開展電池包模組及冷卻流道優(yōu)化。

項(xiàng)目基金：2023年度高校國內(nèi)訪問工程師“校企合作項(xiàng)目”項(xiàng)目“電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池?zé)峁芾砼c散熱機(jī)理及控制關(guān)鍵技術(shù)研究”的研究成果（編號(hào)：FG2023044，項(xiàng)目主持人：張洪利）；杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)費(fèi)；技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“智能移動(dòng)自卸充電車開發(fā)”（編號(hào)：2023HX051）。浙江省高職教育“十四五”第二批教學(xué)改革項(xiàng)目“科教融匯賦能‘大師育匠’拔尖式人才培養(yǎng)的策略與路徑研究”（編號(hào)：jg20240113）。

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