電動汽車動力電池液冷系統(tǒng)優(yōu)化研究

摘要：針對一款液冷電動汽車動力電池包的流道液冷板進行設(shè)計與分析，建立了液冷板流體域計算流體動力學分析模型，對電池的傳熱特性進行了說明，并計算了電池的等效內(nèi)阻。分析了模型的網(wǎng)格無關(guān)性，選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量以在保證計算結(jié)果準確的前提下提高計算效率。改變液冷板材料以帶來冷卻效率的提升，以冷卻液流動均勻性為目標，對液冷板結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，并利用STAR-CCM+軟件建立了液冷板與鋰離子電池組的流固耦合傳熱模型，基于電池包的最高溫度變化曲線以及優(yōu)化前后的溫度云圖對比，分析了優(yōu)化后的液冷板散熱性。

關(guān)鍵詞：電動汽車;熱管理;液冷板;流固耦合;散熱

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）18-0060-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.015

0 引言

對于電動汽車的動力電池包來說，液體冷卻是目前主流的冷卻方式，包括直接接觸冷卻和間接接觸冷卻。其中，直接接觸冷卻雖然散熱效果好，但成本高昂，技術(shù)要求嚴格，且不利于電池的后續(xù)維護。因此，間接接觸冷卻，尤其是采用冷卻板結(jié)構(gòu)的方式，受到了廣泛的關(guān)注與研究。然而，液冷板的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計一直是影響散熱效果的關(guān)鍵因素。眾多研究者嘗試優(yōu)化液冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以提高散熱性能。張林等人[1]發(fā)現(xiàn)分岔通道相較于其他通道類型具有更好的散熱性能，并提出了新型的液冷板結(jié)構(gòu)。然而，液冷板的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)在影響散熱性能的同時，也關(guān)系到冷卻液的壓力損失。通常，液冷板溫度分布均勻性的提升往往伴隨著壓力損失的增大。因此，在液冷板的設(shè)計中，要在保證溫度分布均勻的同時，盡可能降低內(nèi)部流道的壓力損失。本研究對一款動力電池包的液冷板進行了深入設(shè)計與分析：通過優(yōu)化其液冷板結(jié)構(gòu)，改進液冷板材料來提高液冷板的散熱性能，提高液冷板的溫度均勻性;通過建立電池包的液冷板流體域CFD模型，以及動力電池與液冷板的流固耦合傳熱模型，全面分析液冷板的散熱性能[2];通過對比電池包的最高溫度變化曲線及優(yōu)化前后的溫度云圖，更加準確地分析液冷板散熱效果的提升。

1 電池包CFD模型建立

1.1 幾何模型的建立

以某電動汽車動力電池包為研究對象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。各電池模組位于液冷板之上，其電池包長×寬×高尺寸為1 644 mm×1 049 mm×88 mm。導熱硅膠墊置于電池下方，其作用是填充各部件之間的空隙，將空氣排出，且具有良好的導熱性、溫度穩(wěn)定性以及絕緣耐壓性，其安全性也有保障[3]。液冷板位于各電池模組之間，以確保電池包各方向的散熱均勻性，其板壁厚度為3 mm，主流道二點寬度為10 mm，高度為72 mm。冷卻液進出口與液冷板通過焊接連接。

1.2 電池包CFD模型的建立

使用ANSYS軟件的2+BP+QYC3iZl/3hN0d2NHRpAm4db8Wujm0HIV48J3pE=fluent模塊對液冷板的流道進行流體域模型的體積抽取。在流體動力學分析中，采用STAR-CCM+這一先進的CFD軟件。在模擬過程中，入口區(qū)域的邊界條件被設(shè)定為質(zhì)量流量入口，具體速度為0.2 kg/s。經(jīng)過精確計算，得出入口處的雷諾數(shù)為5 218，所以應(yīng)選擇湍流模型來模擬流體的流動狀態(tài)。在湍流模型的選擇上，根據(jù)雷諾系數(shù)選擇k-ε模型。k-ε模型在近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)進行求解，對網(wǎng)格的精度要求相對較低，且收斂性更佳。綜合考慮，選擇了k-ε模型，以確保仿真結(jié)果的準確性和可靠性。在出口區(qū)域，設(shè)定壓力出口的邊界條件，其初始大小為0 Pa。同時，進出口的湍流強度被設(shè)置為0.03，湍流長度比例則設(shè)定為0.000 5 m，這些參數(shù)的設(shè)定旨在更精確地模擬流體在系統(tǒng)中的實際流動情況。通過這一系列精細的設(shè)置，能夠確保仿真結(jié)果的準確性和可靠性，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供有力的支持。

1.3 驗證網(wǎng)格無關(guān)性

CFD求解過程中需建立D7hgiJuIoIqwzvo2wRnMYzEDRzWcIgsXZdf2L2QucyE=離散方程，其仿真結(jié)果的誤差會受到模型網(wǎng)格劃分的尺寸影響。網(wǎng)格尺寸越小，仿真結(jié)果的誤差越小;網(wǎng)格尺寸越大，仿真結(jié)果的誤差越大。過大的網(wǎng)格尺寸會導致仿真結(jié)果的失真，而過小的網(wǎng)格尺寸將會浪費計算資源，耗時長且其結(jié)果并不會有明顯提升。因此，需要進行網(wǎng)格無關(guān)性的驗算，控制模型的總網(wǎng)格數(shù)在一個合適的區(qū)間，以提高模型計算的效率、仿真結(jié)果的精確度以及計算結(jié)果的可靠性。本文分別設(shè)置了不同的單元尺寸來驗證其尺寸對仿真結(jié)果的影響，分析了100萬、136萬、213萬、363萬、623萬、834萬六種不同數(shù)量的網(wǎng)格數(shù)量對仿真結(jié)果精度的影響。仿真結(jié)果如圖2所示，網(wǎng)格數(shù)量超過623萬以后，網(wǎng)格數(shù)量對壓降結(jié)果的影響已經(jīng)不明顯了，因此可以選擇網(wǎng)格數(shù)量為623萬的網(wǎng)格模型進行后續(xù)的仿真計算。網(wǎng)格的目標尺寸為5 mm，最小網(wǎng)格尺寸為1 mm。網(wǎng)格模型如圖3所示。

1.4 電池傳熱特性分析

對于動力電池包的傳熱模型來說，電池與外界的熱交換一般有三種方式，分別是熱傳導、熱對流以及熱輻射，其中熱輻射影響較小，可忽略不計[4]。

1.4.1 熱傳導

熱傳導，又稱導熱，當存在溫差的兩個物體相接觸時，熱量會從溫度高的物體向溫度低的物體傳遞，可用公式表示為：

q==-λn=-λ·T （1）

式中：q為熱流密度向量，是個矢量;Φ為熱流量;A為垂直于導熱方向的截面積;λ為導熱系數(shù);T、n為兩物體溫度;T為溫度差值。

若截面積為A，則通過該截面的熱流量為：

Φ=-λ·A·T （2）

電池包中，電池與液冷板以及隔熱硅膠墊之間的傳熱都是熱傳導。

1.4.2 熱對流

對流，簡而言之，是流體介質(zhì)在宏觀運動下，于兩個溫度差異區(qū)域間進行的熱傳遞過程。在工程實踐中，當流體流經(jīng)溫度不同的固體表面時，二者之間發(fā)生的熱交換過程便是對流傳熱。因此，在電池冷卻的過程中，冷卻液流經(jīng)電池表面時，便發(fā)生了這種熱對流現(xiàn)象。在電池表面的熱對流表達式為：

q=Φ/A=h·ΔT （3）

式中：A為對流換熱接觸面積;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，又稱為換熱系數(shù);ΔT為壁面與流體間溫度差的絕對值。

1.5 內(nèi)阻特性分析

電池在進行熱管理相關(guān)的仿真時需要求出相關(guān)的生熱量，而一般電池在-20～60 ℃的環(huán)境下才能發(fā)揮出較好的性能，溫度過高或過低都會影響電池的性能甚至引發(fā)危險。在正常溫度的情況下，電池的生熱主要是由其內(nèi)阻產(chǎn)生的焦耳熱，所以在進行仿真之前需要先獲得其電池的等效內(nèi)阻，從而計算出電池在充電放電過程中的內(nèi)阻焦耳熱。

等效內(nèi)阻受其材料、設(shè)計和制造工藝影響。溫度和荷電狀態(tài)對電池內(nèi)阻都有影響，因此將電池溫度與SOC（荷電狀態(tài)）作為內(nèi)阻的函數(shù)，即Ri=f（T，SOC）。其中，Ri為等效內(nèi)阻，T為溫度，SOC為荷電量。

根據(jù)歐姆定律，等效電阻由U-I曲線或者R=（Eacv-V）/I獲得，其中，R為電阻，Eacv為額定電壓，V為電路電壓，I為測試電流。但在實際操作中難以完成，所以一般通過脈沖電流法與熱損失法獲得，根據(jù)實驗條件選擇熱損失法。

熱損失法是指在充電和放電的過程中利用相同的測試狀態(tài)，測量出兩個過程中的熱量損失，然后根據(jù)式（4）計算出等效內(nèi)阻。一般通過熱量儀ARC測量充電與放電過程中的熱量，為減小環(huán)境與溫度對結(jié)果的影響，通常采用較低的恒流作為測試電流。

Ri= （4）

式中：Ri為等效內(nèi)阻;I為測試恒流;Qcharge與Qdischarge分別為充電與放電狀態(tài)的熱損失。

2 液冷板溫均性優(yōu)化

2.1 液冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過優(yōu)化液冷板的結(jié)構(gòu)來提高散熱效率，結(jié)構(gòu)如圖4所示[5]。這個結(jié)構(gòu)的液冷板能與電池有更大的接觸面積，可以提高熱交換的效率[6]，也可以更加有效地降低電池包內(nèi)部的溫度梯度，減小單體電池在豎直方向的溫差，有助于維持單體電池在更穩(wěn)定的工作溫度范圍內(nèi)，從而提高電池的性能和壽命。

2.2 液冷板材料優(yōu)化

液冷板的散熱性能對電池包的散熱起到關(guān)鍵作用，不同材料的導熱效率也有很大差別。所以，本文利用新型材料碳納米管來作為電池包液冷板的材料進行研究[7]。碳納米管是一種具有極高強度、導熱性和化學穩(wěn)定性的納米材料，其具有極高的比表面積和比強度，使它成為一種理想的輕質(zhì)高強材料。較低的密度也能有效降低電池包的總重量，提高車輛的總續(xù)航里程。其優(yōu)異的導熱性能，能夠增強其冷卻效果，加快熱量的散發(fā)，使熱量更快地從電池單體中傳遞出去，讓電池更好地在適宜環(huán)境中工作，從而提高電池的整體性能與壽命。

3 聯(lián)合仿真分析

3.1 電池包流固耦合傳熱模型的建立

Star CCM+是一款專注于流體動力學（CFD）的仿真軟件，涵蓋了流體、機械、熱、電磁等多個領(lǐng)域，可以進一步提高仿真的精度，使仿真結(jié)果更加接近真實情況[8]，同時在設(shè)計階段就能發(fā)現(xiàn)更多的問題，從而大大縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期，并盡可能減少產(chǎn)品實物驗證階段的重大問題，最終減少開發(fā)成本，并避免在后期階段發(fā)現(xiàn)問題，縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期。

3.2 液冷板流固耦合傳熱分析

利用STAR-CCM+軟件建立電池包的流體域CFD模型，設(shè)置模型的邊界條件。壓印功能可以生成各部件之間的強耦合交界面，從而完成不同部件以及不同區(qū)域之間的熱傳遞。設(shè)置好液冷板進出口壁面的壁面屬性。根據(jù)Bernardi電池生熱分析，電池內(nèi)部產(chǎn)熱均勻。所有材料的初始溫度都設(shè)置為25 ℃。分別對原結(jié)構(gòu)液冷板模型、優(yōu)化后液冷板模型，以及液冷板材料換為碳納米管三種情況進行仿真。各材料屬性如表1所示。

3.3 液冷板流固耦合仿真結(jié)果

圖5、圖6分別是三種液冷板仿真后平均溫度與最高溫度的變化曲線。圖中模型一為未優(yōu)化液冷板模型，模型二為優(yōu)化后液冷板模型但液冷板材料仍用鋁合金，模型三為優(yōu)化后液冷板模型但液冷板材料改用碳納米管。可以看出，在平均溫度方面，模型二與模型三的曲線相近，溫度差別不大，不過兩者對于模型一來說還是有一定優(yōu)勢的，即優(yōu)化后的液冷板結(jié)構(gòu)有效。而在降低最高溫度方面，優(yōu)化液冷板后的效果均有提升，但應(yīng)用碳納米管的效果更好，其可以降低電池包內(nèi)單體電池的最大溫差，從而提高電池包的安全性與電池包的壽命。

圖7與圖8為優(yōu)化前后的溫度云圖對比。可以看出，優(yōu)化后電池包的整體溫度下降，單體電池的溫差也明顯減小。優(yōu)化后的電池包能夠讓電池在更加適宜的環(huán)境下工作，有效提高了散熱效率。

4 結(jié)論

本文通過改良液冷板的材料及結(jié)構(gòu)，使電池包在電動汽車行駛過程中的散熱性能更加良好，能更多地帶走電動汽車行駛過程中電池產(chǎn)生的熱量，更加有效地防止電池的熱失控，提高電池的工作效率，也保障了安全性。

液冷板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，能夠更好地保障單體電芯的溫度均勻性以及電池包的溫差，從而保障電池的性能，延長電池的使用壽命。

[參考文獻]

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收稿日期：2024-03-28

作者簡介：張寶徠（1999—），男，遼寧大連人，碩士研究生，研究方向：新能源汽車電池熱管理系統(tǒng)。