基于有限元模型的動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

丁亞運(yùn)，于紅丞，乾超群，徐海軍，張禮元

1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2.上海翼銳汽車科技有限公司，上海 201800

0 引言

當(dāng)下，汽車開始進(jìn)入電動(dòng)化時(shí)代。隨著電動(dòng)車保有量的不斷增加，車用動(dòng)力電池的安全性也成了一個(gè)非常突出的問題。就動(dòng)力電池的安全性來說，精準(zhǔn)控制電池的溫度是控制熱擴(kuò)散的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)殡姵啬芊裨谶m當(dāng)?shù)臏囟认鲁浞烹妼⒂绊戨姵貕勖黐1-2]。具體來說，當(dāng)下廣泛應(yīng)用的車用動(dòng)力鋰電池對溫度非常敏感，在充電、放電過程中，電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)以及電阻會(huì)產(chǎn)生大量熱量，使電池的溫度升高，影響電池的循環(huán)壽命、效率、可靠性和安全性[3-5]。電池溫度的熱失控是電動(dòng)車發(fā)展所需解決的重要問題之一，熱失控輕則縮短使用壽命，重則導(dǎo)致電池失火爆炸等惡劣事故。根據(jù)當(dāng)前研究，鋰電池最佳的工作溫度為25～45 ℃，在電池內(nèi)部以及模組之間理想的溫差分布應(yīng)小于5 ℃[6-9], 所以車用動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)溫度均勻性（調(diào)節(jié)電池溫度一致性）對整個(gè)電池系統(tǒng)的性能是至關(guān)重要的。有實(shí)驗(yàn)表明，在45 ℃環(huán)境溫度下高倍率充放電，鋰電池組的循環(huán)使用次數(shù)減少了60次，并且環(huán)境溫度每上升5℃，電池組循環(huán)壽命減少一半，如果在最佳的工作溫度范圍里運(yùn)行，能使電池組整體性能提高30%～40%，即冷卻系統(tǒng)直接影響整車和鋰電池的性能[10-11]。

目前，純電動(dòng)車與混合動(dòng)力汽車大多采用風(fēng)冷、液冷、相變材料3種主流的冷卻形式[12-13]。而相關(guān)資料顯示[14-15]，風(fēng)冷效率不如液冷效率。鑒于此，本文以設(shè)計(jì)的某車用動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)為研究對象，首先利用CATIA軟件設(shè)計(jì)液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；再利用STAR-CCM+對冷卻板流道建立仿真模型，對流道及溫度場進(jìn)行仿真；最后基于仿真結(jié)果對所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的合理性及熱擴(kuò)散穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 電池冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

1.1 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電池包冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了讓每一塊電池模組可以得到均勻而有效的溫度控制，電池冷卻板遵循兩大設(shè)計(jì)要求：（1）盡可能增大流道與電池模組底部的接觸面積；（2）盡可能使流道均勻地分布在電池模組底部。根據(jù)流場的理論知識(shí)，流體的流動(dòng)模式有層流、紊流以及湍流3種形式，在直流道低流速時(shí)容易形成層流狀態(tài)[16]，而這并不利于電池模組的散熱。所以，為了形成有效的散熱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中采用橫截面積相對狹窄的彎曲流道（蛇形通道），這樣在同等水泵流量下冷卻液流速更快，更容易形成湍流，這樣有利于冷卻系統(tǒng)與電池模組之間的熱交換[17-19]。

基于CATIA 3D繪圖軟件完成電池包及冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繪制。根據(jù)電池包整體幾何結(jié)構(gòu)（圖1），該電池包共有12塊電池模組，設(shè)計(jì)如圖2所示的單個(gè)電池組冷卻板，再通過并聯(lián)成組的方式連接到主流道管路形成電池包冷卻系統(tǒng)（圖3）。整個(gè)冷卻系統(tǒng)由12塊單個(gè)電池模組冷卻板組成，其中左邊6個(gè)單電池模組冷卻板并聯(lián)在左邊主流道進(jìn)出液管路，如圖3所示，標(biāo)記各個(gè)支管路接口分別為A、B、C、D、E、F，右邊為對稱結(jié)構(gòu)，標(biāo)記A所在端為主流道管路進(jìn)出口。冷卻系統(tǒng)在裝配到電池包內(nèi)時(shí)，液冷板上下表面都會(huì)涂覆一定厚度的導(dǎo)熱膠，導(dǎo)熱膠的作用是使電池模組與冷卻系統(tǒng)均勻地進(jìn)行熱傳導(dǎo)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來看，所設(shè)計(jì)的電池包冷卻系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 車用動(dòng)力電池包整體幾何結(jié)構(gòu)

圖2 單個(gè)電池組冷卻板流道結(jié)構(gòu)

圖3 車用動(dòng)力電池包冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 冷卻系統(tǒng)冷卻液流量仿真

以上述3D數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，建立液冷板流場仿真模型，從而驗(yàn)證流道設(shè)計(jì)的合理性。在 STAR-CCM+軟件中進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，采用多面體網(wǎng)格模型，將A、B、C、D、E、F所示進(jìn)液支管管徑的初始狀態(tài)設(shè)置為8 mm，A所在端為主流道管路進(jìn)出口，上為進(jìn)液管道，下為出液管道。進(jìn)液口流速設(shè)置10 L/min，出液口相對壓力設(shè)置為0，冷卻液設(shè)置為恒密度不可壓縮流體。計(jì)算模型采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模式，湍流模型選用k-ε模型[20]。

對左半邊冷卻板流場進(jìn)行各個(gè)流道冷卻液流速仿真求解（圖4），讀取每一塊冷卻板出液支管流量大小，并對所記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到圖5所示的各冷卻板支管出口流量百分比。很明顯，每塊冷卻板流道中的冷卻液流量不一致，最大流量差為12.2%。液冷系統(tǒng)的冷卻原理是通過流動(dòng)的冷卻液傳導(dǎo)熱量，而所設(shè)計(jì)每塊冷卻板流道中的冷卻液流量不一致勢必會(huì)導(dǎo)致熱交換不均勻，使各個(gè)電池模組之間的溫差較大，從而影響電池組充放電的穩(wěn)定性，甚至出現(xiàn)一個(gè)惡性循環(huán)的結(jié)果。簡單概括即各冷卻管道流量分配不均勻，無法達(dá)到溫度均勻的冷卻效果。

圖4 冷卻系統(tǒng)各冷卻板流道流量云圖

圖5 各冷卻板支管出口流量百分比

1.3 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述冷卻板流道流量穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果分析，液冷流道中的冷卻液流到各個(gè)液冷管中后，在流道中會(huì)產(chǎn)生壓降[21]，從而導(dǎo)致相同進(jìn)液管徑的各冷卻板中冷卻液流量不一致。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度考慮，可以通過調(diào)整進(jìn)液支管的管徑來彌補(bǔ)壓降所造成的流量減小問題，即通過調(diào)整進(jìn)液支管的管徑控制各個(gè)液冷板流道中流量的大小。在仿真模擬中反復(fù)嘗試并結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)實(shí)中管料規(guī)格等，選取A、B、C、D、E、F處（圖3）進(jìn)液支管的管徑分別為4.5 mm、5 mm、6 mm、7 mm、9 mm、10 mm。

1.4 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真

針對優(yōu)化進(jìn)液支管管徑后的模型進(jìn)行相同的冷卻板流場仿真求解（圖6），讀取每一塊冷卻板出液支管流量大小，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到圖7所示的各冷卻板支管出口流量百分比。很明顯每塊冷卻板流道中的冷卻液流動(dòng)速度相差較小，最大流量僅存在0.85%的差異。即在流道冷卻液流量差異小的情形下保證了冷卻系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)液冷板的溫度交換傳導(dǎo)相對均勻。即從熱擴(kuò)散的角度來看，所優(yōu)化設(shè)計(jì)的電池包冷卻系統(tǒng)符合熱擴(kuò)散均勻性的設(shè)計(jì)要求。

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后冷卻系統(tǒng)各冷卻板流道流量云圖

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各冷板支管入口流量百分比

2 動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)熱擴(kuò)散性能仿真

在上述合理的3D零件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對所設(shè)計(jì)液冷系統(tǒng)進(jìn)行3種行車工況下的溫度場瞬態(tài)仿真，驗(yàn)證動(dòng)力電池系統(tǒng)是否可以在最佳的工作溫度下充放電[15,22]。為簡化模型做以下假設(shè)：①設(shè)置電池模組為單一材料組成的產(chǎn)熱體，導(dǎo)熱率為各向異性；②電池包內(nèi)零件的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)不隨周圍環(huán)境溫度的變化而變化；③忽略對電池包溫度影響較小的部件。根據(jù)以上假設(shè)可大大簡化電池包熱模型的幾何模型。

設(shè)置材料屬性：根據(jù)設(shè)計(jì)選用材料查找電池、鋁板、鋼板、膠水、冷卻液等的物理屬性，包括密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)態(tài)黏度、紊流普朗特?cái)?shù)等參數(shù)，詳見表1。

表1 材料屬性

已知所選用電池模組1C放電的發(fā)熱功率曲線如圖8所示。

圖8 電池模組1C放電的發(fā)熱功率曲線

2.1 常溫高速

常溫高速工況下的模擬是指常溫條件下，駕駛員在高速路上高速行車時(shí)，初始環(huán)境為25 ℃，選取電池模組幾何中心點(diǎn)位置為溫度監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)溫度大于38 ℃時(shí)開啟冷卻系統(tǒng)。根據(jù)液冷開啟條件設(shè)置，模擬中記錄液冷系統(tǒng)在3504 s開啟液冷，整個(gè)模擬過程最高溫度是38.6 ℃（圖9），模組之間的最大溫差在0.08 ℃范圍內(nèi)（圖10），即這一工況下所設(shè)計(jì)的電池冷卻系統(tǒng)滿足最高溫度50 ℃、最大溫差5 ℃的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖9 常溫高速工況下電池模型溫度仿真云圖

圖10 常溫高速工況下電池模組溫度曲線

2.2 高溫高速

高溫高速工況的模擬是指新能源汽車在夏天室外環(huán)境暴曬1 d后，啟動(dòng)汽車進(jìn)入高速行駛工況。液冷系統(tǒng)模組最高溫度為40.6 ℃（圖11），電芯間的最大溫差為0.25 ℃（圖12），即這一工況下所設(shè)計(jì)的電池冷卻系統(tǒng)滿足最高溫度50 ℃、最大溫差5 ℃的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖11 高溫高速工況下電池模型溫度仿真云圖

圖12 高溫高速工況下電池模型溫度曲線

2.3 低溫加熱

低溫加熱工況下，模擬新能源汽車在冬季放置車庫一夜后，啟動(dòng)汽車把電池加熱到安全工作溫度（5 ℃以上）并進(jìn)行高速行駛。液冷系統(tǒng)經(jīng)過1526 s后模組溫度監(jiān)測點(diǎn)的最低溫度達(dá)到了5 ℃以上（圖13），液冷系統(tǒng)加熱速率0.98 ℃/min。電芯之間的最大溫差為0.65 ℃（圖14），即這一工況下所設(shè)計(jì)的電池冷卻系統(tǒng)滿足加熱速率大于0.5 ℃/min、最大溫差5 ℃的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖13 低溫加熱工況下電池模型溫度仿真云圖

圖14 低溫加熱工況下電池模組溫度曲線

3 結(jié)論

本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成了液冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用CATIA建立了3D仿真模型，采用STAR-CCM+軟件建立了動(dòng)力電池包的液冷板流道穩(wěn)態(tài)仿真模型與冷卻系統(tǒng)溫度場瞬態(tài)仿真模型，進(jìn)行了冷卻液流量仿真分析，得到如下結(jié)論：

（1）通過優(yōu)化液冷板的進(jìn)液支管管徑，平衡流道內(nèi)壓降使各個(gè)液冷板的流道內(nèi)流速偏差減小，為電池包的設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

（2）通過溫度場仿真結(jié)果證實(shí)了流道流速均勻的液冷板可以有效地滿足溫度均勻性，控制溫差，使最大溫差不大于5℃。證明所設(shè)計(jì)的電池包冷卻系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

（3）本文提出的3D模型建立、溫度場仿真方法對電池包的液冷板的開發(fā)及電池包的熱管理具有一定指導(dǎo)意義。