動力電池液冷系統管路設計及仿真分析

張萬良，陳 祥，劉 靜，于 偉

(濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000)

1 引言

隨著全球能源危機及環境污染的日益嚴峻，新能源汽車逐漸成為世界各國的發展戰略之一，動力電池為車輛提供部分甚至全部的動力，被譽為新能源汽車的“心臟”，因此電池系統的優劣直接決定新能源汽車的性能是否達標[1]。鋰離子電池能量密度高、循環壽命長且自放電率極低，在各類動力電池中性能較為優越，是理想的移動儲能裝置[2]。但其在高溫環境下適應性較差，當溫度高于45 ℃時，鋰離子電池的循環壽命將急劇下降，并且鋰離子電池在工作時也會產生大量熱量，會使電池自身溫度升高，嚴重時可能會出現熱安全問題[3]。

除此之外，動力電池的溫度均勻性也是影響動力電池系統性能及壽命的一個重要因素，冷卻系統的流量分配均勻程度直接決定了電池系統的熱負荷分配，均勻的流場分布有利于減小系統的溫差[4]。別玉等[5]實驗研究發現壓差是造成流量分配不均的主要原因，可通過調節管道阻力進行改善。王普浩等[4]仿真研究表明流量分布主要受阻力和分流、匯流共同作用，改變管道布置方式可調節流量分布。

基于某商用車項目，共有八個電池包，根據整車布置將其分為四層，每層兩個電池包。由于該動力電池系統占用空間較大，管路連接較為復雜，加之重力的作用，勢必會對每個電池包的流量分布產生影響。為設計冷卻系統最佳管路連接方式，通過Star CCM+軟件對不同管路連接方式流場分布進行仿真計算，確定流場分布最均勻的方案，并在0.5 C放電條件下對該方案進行熱仿真驗證，為實際設計過程提供理論基礎。

2 模型建立

2.1 數值模型

通過Star CCM+軟件建立冷卻管路流場仿真及動力電池系統溫度場仿真模型，采用半經驗公式計算方法，利用雷諾平均納維-斯托克斯方程及k-ε湍流模型進行計算求解[6]。具體方程如式(1)和式(2)所示[6,7]：

?/?t(ρk)+?/?xi(ρkμi)=?/?xj[(μ+μt/σk)?k/?xj]+Gk-Yk+Sk

(1)

?/?t(ρε)+?/?xi(ρεμi)=?/(?xj)[(μ+μt/σε)?ε/?xj]+cε1ε/k(Gk+cε2ρ)-cε3ρε2/k+Sε

(2)

式中：k為湍動能，Gk為平均速度梯度引起的湍流動能，Yk為由于在可壓縮湍流中過度擴散而產生的波動，ε為耗散率，cε1，cε2，cε3是常量，σk，σε為k方程和ε方程的湍流Prandtl數，Sk和Sε由用戶定義。

2.2 物理模型及邊界條件

物理模型主要包括液冷管道、液冷板及電芯，液冷管道包括金屬管道及橡膠管道，為簡化計算，統一設置為鋁管。

相應參數及邊界條件設置如下：

冷卻液流量為25 L/min，溫度為25 ℃，環境溫度為27 ℃或40 ℃。

表1 計算參數設置Table 1 Calculation parameter setting.

3 流場仿真結果

3.1 并聯方案

為保證每個電池包冷卻液流量分配均勻，首先考慮將八塊液冷板全部并聯方案。圖1(a)(b)分別為兩種并聯方式的流場分布情況，為探究冷卻液進出口位置對流場分布的影響，將方案一(圖1(a))進出口設置在最上方，方案二(圖1(b))設置在在二、三層液冷板中間。按圖示位置對每個支路的流量進行監測，左進右出、自上而下分為一到四層(下同)，結果如圖2所示。從圖2(a)(b)中可以看出，兩種并聯方案左右兩側流量分配基本一致，方案二較方案一更加均勻；但圖2(c)顯示，方案一自上而下每層流量依次降低，相差較大；而圖2(d)中方案二的每層流量差別較方案一(圖2(c))小，流量分配較均勻；由此可見進出口位置會對流量分配產生顯著影響。

3.2 串并聯方案

如圖3所示，方案三、方案四將每層兩塊液冷板串聯，然后四層并聯起來形成冷卻回路。與并聯方案相似，區別在于方案三進出口在上方，而方案四進出口在二、三層中間。同樣對每層流量進行監測，從圖4(a)可以看出，方案三自上而下每層流量依次降低，并且相差較大，而圖4(b)顯示方案四連接方式每層流量幾乎一致，流量分配在四種方案中最為均勻。

圖1 并聯方案流場分布(a)方案一流場分布(b)方案二流場分布Fig.1 Flow field distribution of parallel scheme for (a) scheme one;(b) scheme two.

圖2 并聯方案流量分布(a)方案一總體流量分布(b)方案二總體流量分布(c)方案一每層流量分布(d)方案二每層流量分布Fig.2 Flow distribution of parallel scheme. Total flow distribution of scheme one (a) and scheme two (b);each layer flow distribution of scheme one (c) and scheme two (d).

圖3 串并聯方案流場分布(a)方案三流場分布(b)方案四流場分布Fig.3 Flow field distribution of series-parallel scheme. Flow filed distribution of scheme three (a) and scheme four (b).

表2為四種方案的進出口壓降，從表中可以看出，進出口位置對整體壓降變化有一定影響，進出口位置在上方時的壓降較在中間時稍大。進出口位置、冷卻液流量一致時，串并聯方式對壓降變化影響不大。

表2 進出口壓降Table 2 Inlet and outlet pressure drop.

圖4 串并聯方案流量分布(a)方案三流量分布(b)方案四流量分布Fig.4 Flow distribution of series-parallel scheme. Flow distribution of scheme three (a) and scheme four (b).

4 溫度場仿真結果

上述結果顯示方案二和方案四流量分配較為均勻、壓降較小，現通過熱仿真驗證方案是否可行。由于本文旨在探究最合理的電池包連接方式，故對模型進行相應簡化，選用模組整體作為熱量來源，忽略管道與外界熱交換，工況為0.5 C放電2 h。

兩種方案溫度場分布情況如圖5(a)(b)所示，環境溫度為27 ℃、冷卻液流量為25 L/min時，兩種方案電芯最高溫度區別不大，電池溫度緩慢上升，1 h后溫升僅為5.6 ℃左右，溫差4 ℃左右，所以常溫工況下兩種方案均能滿足要求。電芯溫差主要來源于電芯頂部與底部之差，原因是電芯底部與液冷板接觸，冷卻效果好，頂部冷卻效果相對較差[6]。

考慮到方案四(圖b)流場分布較方案二(圖a)更加均勻，且管道連接更簡單，所以采取方案四連接方式，并在40 ℃下驗證高溫環境時液冷能否滿足要求，溫度場分布如圖6所示，圖7為每塊液冷板中間模組監測點溫度變化曲線。開始工作后，電芯溫度先上升至41 ℃，然后開始下降，2 h后，左側監測點溫度下降至32.1 ℃左右，右側監測點溫度下降至33.2 ℃左右，左、右兩側溫差僅為1.1 ℃，電芯整體溫差仍來源于頂部和底部的溫差，最大溫差6 ℃左右。所以高溫時冷卻方案可滿足要求，具體仿真結果見表3。

圖5 常溫下溫度場分布(a)方案二溫度場分布(b)方案四溫度場分布Fig.5 Temperature field distribution at room temperature. Temperature flow distribution of scheme one (a) and scheme two (b).

圖6 高溫下溫度場分布Fig.6 Temperature field distribution at high temperature.

圖7 監測點溫度變化曲線Fig.7 Temperature change curve of monitoring points.

5 結論

設計了一種多電池包冷卻系統，通過流場仿真確定最佳管路連接方式，并通過熱仿真在0.5 C放電條件下驗證該系統冷卻效果。結果表明如下。

(1)冷卻管路進出口位置對整體流量分配有顯著影響，進出口放置在中間位置有利于流量的均勻分配。

(2)先串后并且進出口位置在中間的方案流量分配最均勻、壓降最小。溫差主要來源于電芯頂、底部溫差，常溫工況下電芯最大溫差為4 ℃、高溫工況下電芯最大溫差為6 ℃。