新能源汽车动力电池热管理热流体仿真案列分析

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自2019年10月10日起，我将在平台发布《新能源汽车PACK热流场分析进阶16讲》。

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本案列电池系统采用液冷热管理方式的，如图1和图2所示是电池PACK系统前处理模型，主要包括：上下箱体，液冷板，导热垫、隔热护板、绝缘板、模组等结构，由4个模组成，每个模组由18个50Ah方形电芯组成。液冷系统采用两进两出的并联方式，箱体采用集成液冷系统设计，通过型材水冷板总成和框架总成通过FDS工艺和涂胶工艺进行固定和密封，该系统优势在于液冷系统的结构组件借用了箱体的结构组件使得电池系统更轻。

利用ANSYS-SCDM软件对电池包PACK建模前处理，以STAR-CCM+软件作为液冷系统流场仿真和PACK热场仿真的工具，建立热流场仿真分析模型，最终实现了对动力电池在低温停车加热工况，常温行车、高温行车等工况PACK内部电池温度变化情况仿真，同时实现了对液冷系统内部压降和流量均匀性仿真，对冷板结构设计提出合理依据。

图1 PACK系统简化数模

图2 PACK系统简化数模爆炸图

一、模型简化

通过分析数模的结构组成及各部件的作用以评估各部分对热系统的影响，进而决定对部件的保留、简化、还是舍弃。模型简化的原则，在尽可能仿真精度的情况下，通过简化减少网格的数量同时提高网格质量，提高计算效率。如图3和图4分别是动力电池模组简化前后得模型。

图3 简化前模组

图4 简化后模组

对于流场仿真：在处理几何模型时，应保留所有管道的内径和液冷板内流道尺寸不变，对管路弯曲、管道变径、局部弯头等细节特征保留，水管要做到不扭曲，弯角过度平滑，同时保证简化后接头装配良好，对管路、接头、冷板的外部可进行适度的简化以减少网格量。

对于热仿真：模型中的线束、挂耳、螺丝螺套、铜排、bms管理部件等对热管理系统影响较小，可舍弃；对于热管理系统影响较大的零件几何特征可以适当简化，如倒角结构、结构对齐等。

简化完成后，检查整个模型是否有干涉和其他问题，如有问题，可用ANSYS-SCDM软件对其进行修复，如无问题，可利用SCDM对模型进行流体域的抽取。

二、热管理设计

为了使动力电池保持在合理的温度范围内工作，电池包必须拥有科学和高效的热管理系统。主要如下几项主要功能：

(1)电池温度的准确测量和监控；

(2)电池组温度过高时的有效散热和通风；

(3)低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；

(4)保证电池组温度场的均匀分布。

电池热管理系统设计的主要目标是：在考虑空间布置、设计成本、轻量化等条件下，通过加热或冷却控制，保证电池系统工作在相对适宜的工作温度，同时减小单体间温度，保证一致性。热管理系统设计结构图如下：

图5 热管理系统设计结构图

三、仿真分析

锂电池Pack设计中往往会借助热流体仿真分析来辅助工程师完成pack热管理系统设计，在热管理系统设计阶段，可对Pack、模组或电池进行热场仿真分析，根据仿真结果快速地选择出冷却、加热和保温方式；在冷却子系统设计阶段，可以对Pack、模组或电池（带冷却子系统）进行热场和流场仿真分析，根据仿真结果确定冷却通道设计、冷却介质、冷却入口温度和流量以及风扇或泵的参数等。

借助热流体仿真分析工具，大部分的Pack热管理设计工作和部分测试工作都可以在电脑上完成。大量的设计、制造、测试工作可以被省略，Pack设计的成本也会大幅度下降。下面基于案例的方式，介绍一下动力电池热管理仿真分析的基本流程和技巧。

该案列液冷系统的设计目标为：在指定工况下运行，电池系统内部电芯的最大温度小于50℃；电芯之间的温差小于等于5℃；液冷系统的压降小于10kPa，依据下图7电芯单体的产热数据，计算在1c满放的情况下电池系统的产热功率。

利用STAR-ccm+软件的VOF模型，清楚的仿真出液冷板内从开始注入冷却液到注满冷却热的过程。

设置进口两相材料的体积分数：cooling water：air=1：0

设置出口两相材料的体积分数cooling water：air=0：1

定义进口质量流量值：4L/min

从云图6中我们可以看到，在不到1min的时间内，冷却液充满整个液冷板内腔。同时在流道的转弯区有漩涡现象，有优化空间。

图6 冷却液流动云图（动图）

图7 1c放电发热功率

图8通过STAR-CCM+仿真工具计算出来的液冷系统的压力云图，从仿真的结果上看，系统的压降为1.8kPa，整个系统采用两进两出的两个并联结构，流量的均匀性必然满足设计要求。

图8 液冷系统流场分析

图9为随着时间变化的电池系统的温度云图，该工况模拟了新能源汽车在夏天室外环境曝晒一天后，启动汽车进行高速行驶工况，属于电池系统的高温冷却工况，图10高温冷却电芯温度变化曲线上，分析得出1C满放的工况时，在冷却系统作用下，最高温度40.6℃，电芯间的最大温差1.8℃，满足热设计目标，在曲线末端出现温升现象，由图7可看出电芯在放电末端发热量较大，通过计算，第Ⅱ阶段电芯的平均发热量是第Ⅰ阶段的1.8倍，导致曲线末端出现温升现象。

图9 高温冷却电芯温度变化云图（动图）

图10 高温冷却电芯温度变化曲线

图11为在常温高速行车工况电池温度随着时间变化的温度云图，该工况模拟了一般常温条件下，驾驶员在高速上高速行车。初始环境温度为20℃，当监测点最低温度大于38℃开启冷却系统，冷却液单个进口流量4L/min，入口温度22℃。图12为常温行车电芯监测点温度变化曲线，总个工况分为两个工作过程，分别为0-3368S液冷系统未开启的第Ⅰ阶段和3369s-3600s液冷系统开启的第Ⅱ阶段。在第Ⅰ阶段，电芯温度随着放电进行持续升高，在第3368s最低温38℃，温差3.1℃，满足系统设计目标5℃；在第Ⅱ阶段的第3369s开始液冷系统进行冷却，但温度还继续升高，一方面由于热惯性的存在，另一方面，由于电芯放电末端发热量倍增，导致开始冷系统后电芯温度继续上升主要因素。到了3548s由于冷却系统作用电芯的温度出现下降。整个过程最高温度42.7℃，最大温差3.2℃，满足设计目标。

图11 常温高速行车电芯温度变化云图（动图）

图12常温高速行车电芯温度变化曲线

图13为在低温工况电池系统随着时间变化的温度云图，该工况模拟了新能源汽车在冬季寒冷得季节放置车库一夜后，启动汽车把电池加热到能工作温度并进行高速行驶工况。初始环境温度为-20℃，当监测点最低温度不小于5℃时关闭液冷系统，冷却液单个进口流量4L/min，入口温度30℃。图14为低温行车电芯监测点温度变化曲线，整个仿真过程包括低温加热和1c放电工况，在低温加热工况下，电芯监测点最高温度10.9℃，最大温差6℃，液冷系统加热速率为1.6℃/min；1c放电工况，检测点最高温度30℃，放电末端温差在3.7℃内。温差整体先增大后减小，加热拉大电芯温差，放电过程温差减小，主要是由于放电过程中每个电芯发热量一样，发热较电芯底部加热热量更加均匀。