PHEV電池包熱管理系統設計優化與仿真分析

吳政江，王長江，鮑添增

（浙江衡遠新能源科技有限公司，浙江 金華 321016）

目前，在能源緊缺和環境問題的雙重壓力下，世界各國紛紛制定了燃油汽車禁售時間表，以電動汽車為代表的新能源汽車越來越受市場重視[1]。基于電動汽車高續航要求，動力電池也正在往大容量、集成化的趨勢發展。

鋰離子電池與其他類型動力電池相比，有工作電壓高、充放電效率高、循環壽命長、能量密度高、環境污染小等優點，優勢較明顯。但鋰電池對溫度特別敏感，低溫會導致電池容量衰減且有析鋰風險，高溫會導致壽命減短，同時有起火甚至爆炸的風險[2-3]，保證動力電池溫度處在合理的工作范圍內，對動力電池的使用性能及安全具有較大的意義。

對于鋰電池的冷卻方式主要包括被動冷卻、強制風冷、強制液冷、熱管冷卻、相變冷卻等[4]，文中的鋰離子動力電池采用強制液冷方式進行冷卻。這種散熱方式的優點是散熱效率高、溫度均勻性較好、對環境要求較低，但設計較復雜且成本較高。目前針對純電動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的流場及整個電池包的溫度場。通過仿真分析并結合實驗測試，對電池包熱管理系統設計方案進行仿真分析優化，并最終使得電池包液冷系統各項指標達到目標狀態。

1 數值模擬

1.1 數學模型

經過公式計算在流速最小區域計算雷諾數，判定為湍流。本文采用的湍流模型為k-ε可實現模型[6]進行流場計算。流體為恒密度不可壓縮流體。仿真計算需要滿足連續性方程[7]，即

制冷劑為不可壓縮流體，即

方程簡化為

動量方程為

能量方程為

式中，ρ為流體密度；t為時間；ux、uy、uz分別為速度矢量在x、y、z三個坐標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分別為電芯在三個方向上的導熱系數。

1.2 電池產熱模型

電芯發熱模型采用目前正在廣泛使用的Bernardi公式，電芯產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，可逆反應熱與電化學反應的熵變相關[8]，即

式中，I為放電電流，充電為正，放電為負，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，V·K-1。

為驗證電池包流場及溫度場仿真的準確性，分別進行了實驗測試，以保證結果的真實可靠。

2 模型介紹

插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV）電池包共包含16個電池模組，每個模組12個單體（2并6串），軟包電池單體容量為49.5 Ah。該液冷系統共設計有四個冷卻回路，并聯連接，一層三個回路，二層一個回路。液冷板采用沖壓釬焊形式制作而成。電池包外殼是絕熱結構，一般在整車環境下無強制風冷整包不考慮外部散熱。電池包結構示意如圖1所示。

圖1 電池包結構示意圖

3 流場優化

3.1 流場仿真

在液冷系統的優化階段，為減少計算時間，單獨以液冷系統為模型建立流場仿真模型，提取液冷板和液冷管路的內表面，建立流場仿真模型，網格采用多面體網格模型，生成三層邊界層，體網格數量為10×107個，如圖2所示。進口為左側，設置為流量入口，流量為17 L/min，入口溫度為25 ℃，出口為右側設置為壓力出口。

圖2 液冷系統流場模型

在設計液冷系統時，有一項非常重要的指標為液冷系統整體壓力損失，并且應小于泵設定的揚程，因此，設計優化中壓力損失優化非常重要。而壓力損失實驗只能得到總壓損數據，各零部件數據得到較困難，因此，本文根據仿真對電池液冷系統進行優化，并通過實驗驗證仿真結果的可靠性。仿真流場壓力損失云圖如圖3所示。

讀取部分構件位置前后靜壓值，并作差值，得到構件壓力損失，計算得出仿真結果如表1所示。數據表明，入口及出口處三通在總壓損中占比最大，對總壓損影響最大。因此，降低總壓損最有效的措施是優化進出口三通。通過對局部阻力損失公式分析可知，由于局部速度過大，導致局部阻力系數較大，由此可見增加三通處管徑就可以降低流速。優化方案為三通兩出口管徑由原來的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 液冷系統流場仿真靜壓圖

表1 局部構件壓損仿真結果

根據優化設計更新數模后，重新進行仿真計算，仿真云圖如圖4所示，優化后壓損由66.5 kPa降低至22.7 kPa。通過靜壓差得出各個構件的壓力損失，并與優化前對比，計算出優化比例，得出的仿真結果如表2所示。從表中可以看出優化后壓損由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，優化占比最大，并且其他構件壓損均有所下降。

圖4 液冷系統流場仿真靜壓圖

表2 優化后局部構件壓損仿真結果及優化比例

3.2 實驗驗證

為保證仿真結果的可靠性，需要做液冷系統的壓損實驗，與仿真結果進行對標。實驗儀器為液冷管路、液冷板、工裝、壓力檢測儀，水冷機，實驗現場如圖5所示。

圖5 壓損實驗現場

實驗步驟為連接液冷板與液冷管路，在液冷系統進出水口處各連接工裝，工裝內裝有壓力傳感器用于測量進出口處靜壓值，還有溫度傳感器用于監控流體溫度，在工裝末端分別連接水冷機進出水口，在冷水機內加入冷卻液，設定流量和溫度并通入液冷系統，待系統穩定后記錄溫度和靜壓值數據。

圖6 液冷系統優化前后壓損對比

實驗得到的結果與仿真結果進行匯總對比，如圖6所示。實驗結果表明，優化前后仿真結果與實驗結果均相差不大，誤差在可接受范圍內。

實驗結果顯示，優化前壓損為60.1 kPa＞27 kPa，未達到設計要求；優化后壓損為24.3 kPa＜27 kPa，符合設計要求。

4 溫度場仿真結果

4.1 溫度場仿真

建立電池包溫度場仿真模型，簡化電池包部分結構，考慮為絕熱條件，因此，省略對溫度場結果影響不大的線束、螺栓、安裝支架等零部件，模組采用簡化后的模型，利用軟件對電池包進行網格劃分。材料物性參數如表3所示。

表3 材料物性參數

仿真計算采用瞬態計算，熱源設置為利用用戶自定義函數（User Define Function, UDF）導入實驗測得電流數據，通過公式計算出電芯體積生熱率，模組均設置為體熱源。

電池包在67.6 kW工況下，應當保持最高溫度在55 ℃以內，且不同模組間溫差小于5 ℃。該電池包的整包內阻已通過實驗測得，整包內阻約為83.6 mΩ，將該值導入UDF進行計算，如圖7所示。

圖7 電池包溫度云圖

仿真結果表明，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，整體符合設計要求。

水冷板處于模組下側使得模組下側溫度較模組上側更高，因此，模組上下表面溫差問題會比較突出，在電池包設計中應當注意控制模組內部最大溫差。

4.2 實驗驗證

1.實驗設備

電池包充放電設備、水管、固定流量水泵、多路設備、帶負溫度系數（Negative Temperature Coefficient, NTC）的電池模組、電池包，測試環境如圖8所示。

圖8 電池包熱管理測試實驗現場

2.實驗方法

在0%荷電狀態（State Of Charge, SOC）下，利用充放電機柜對電池包進行充放電，同時打開水泵，通過多路設計實時記錄電池模組內部NTC溫度，最后對采集的數據進行處理。

圖9 仿真與實驗對比數據

在衡遠實驗室完成50 kW充電實驗，并完成仿真結果對比，仿真與實驗對比數據如圖9所示。結果表明，實驗中電池包溫度由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 結論

本文利用仿真結合實驗的方法對電池包熱管理系統設計方案進行分析優化。流場仿真和流場實驗結果表明，初步方案壓力損失為大約60 kPa，仿真結果顯示，壓力損失較大處為出入口三通處，通過增大管徑的方式進行優化，優化后的壓力損失約為26 kPa，符合設計要求。溫度場仿真結果表明，電池包內最高溫度、最大溫差和最高溫升均，滿足電池包設計要求，并通過熱管理實驗驗證仿真計算結果的準確性。電池包的流場仿真及溫度場仿真在電池包熱管理設計優化和性能驗證方面起著重要的指導性作用。