电动汽车动力电池冷却系统有限元仿真分析及优化
时间：2023-03-10 15:30:06 来源：千叶帆 本文已影响人
雷 艺，林 松，林东强，陈德灯，方 正
（1.广西交通职业技术学院汽车工程学院，广西 南宁 530004；
2.北部湾大学机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535000）
安全性能是动力电池发展的首要标准，而安全性与温度性能、稳定性和耐久性等因素密切相关[1]。动力电池自燃事件频发，危害人民生命财产安全，给消费者带来极大的心理创伤。动力电池的冷却系统在动力电池使用过程中起到极其关键的作用。
冷却系统使用得比较多的是风冷却系统和水冷却系统，但是液态冷却系统的冷却效率比较高，普遍应用在纯电动汽车动力电池包的冷却系统中。彭影[2]等对磷酸铁锂离子电池组的冷却进行了研究，其通过使用在不同工况和温度条件下自然对流、强制对流仿真和油冷却方法。闵小藤等[3]设计了微小通道波形液冷却扁管，通过改变管与电池圆柱形锂离子电池的角度增大导热性能和变换波形扁管内部管道数量提高冷切效率及电池散热均匀度。Deng 等[4]研究了U 形状蛇形通道矩形锂离子电池热管理，电池组的电池芯与电池芯之间有蛇形微型通道冷板隔离。
以某款磷酸铁锂锂离子动力电池作为研究对象，对热管理冷却水箱结构进行分析与改进。通过对冷却水箱进行散热仿真模拟，对影响该电池水箱冷却效果进行分析。利用电池组单体电池通常行驶最高复杂工况和国内均衡温度作为对比，对该电池组冷却系统的结构参数进行改进优化，最后得到优化后的冷却系统模型。
1.1 建立动力电池包冷却系统几何模型
通过某车型动力电池包的相关参数，利用CATIA三维软件建立原车1P5S 电池模组液冷模型，如图1所示。
图1 电池组也冷却模型
1.2 建立动力电池包冷却系统有限元模型
将原结构模型导入Workbench 软件，利用Geom原etry 模块对电池模组建立流体域及对单体电池正负接柱固体域进行简化。创建电池与冷却管的导热面和所需的观察面，对模型结构进行标注和共享。
使用Workbench 软件内部的Mesh 模块，对电池组原结构模型进行网格划分。选择CFD 编辑模式，通过手动调整对流体域与固体域的模型进行网格的分化，流道和流体部分是主要热交换部分网格单元尺寸为2.0 mm；
电池为热源划分网格单元尺寸为8.0 mm；
总体结果：节点为1.759伊105，单元格为9.565伊105，单元格平均质量为0.8，平均纵横比为1.985。如图2所示为动力电池包的有限元模型。
图2 电池包有限元模型
温度对锂离子电池有很大的影响，新能源电动汽动力电池包空间有限，锂离子电池被密集地包装在车辆的电池箱里。当车辆工作时电池焦耳热和极化热以及反应产生的热量和副反应热会被积累在电池包内部电池组工作环境温度会产生变化，导致电池组内部的温度升高和温度分布不均匀降低电池组供放电能力，循环使用寿命，甚至可能导致热控制失效，影响车辆安全性和续航里程。
磷酸铁锂电池最适合的工作范围为20～45 益，温差小于5 益；
可接受范围为20 ～ 60 益，温差在5 ～10 益。锂电池内部产热量主要有两个过程，分为可逆过程和不可逆过程。可逆过程热量为离子化学反应产生的热量，充电时表现为吸热，放电时表现为放热；
不可逆过程热量包括焦耳效应产生的焦耳热和极化效应产生的热量。徐蒙[5]对磷酸铁锂动力电池充电和放电过程中的产热速率进行了实验研究和模型建立，发现在不同倍率的放电过程中可逆热和不可逆热的占比有很大的不同，在低倍率为0.5C 下化学反应热起主导作用，而随着倍率的提高焦耳热的比例逐渐超过化学反应热，在5C 倍率时达到反应热的6～7 倍。本文使用Ansys Fluent 软件，对电池模组采用液冷类型传热进行仿真分析。
将原结构网格模型导入Fluent 软件中，如图3 所示。然后对模型材料进行分化，并添加设置参数。接着考虑仿真过程中流体域与固体域和固体域与固体域之间的界面热传导。最后通过有上述所获得参数对边界条件参数进行设计。
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图3 仿真模型示意图
在对原有结构进行仿真时从多个方面进行分析，由于电池在散热过程中热量传递的主要方向是由上到下，因此最高温度出现在电池顶部的截面上，对比的关键参数为：（1）冷却液出口温度；
（2）电池的最高温度；
（3）电池顶部截面的最大温差；
（4）各单体电池流向和底部截面温差。
给定初始条件后计算得出原有结构的出口温度为30.71 益，电池侧面温度分布呈阶梯状如图4 所示，与丁毅[6]的仿真结果吻合，证明该模型的设置参数在合理范围之内。
图4 原结构电池侧面温度分布图
电池的顶部截面温度分布如图5 所示。
图5 原结构电池顶部截面温度分布图
顶部截面最高温度为50.36 益，最低温度为44.43 益，最大温差为5.93 益。冷却液流道内温度分布比较均匀，沿着流动方向均匀变化，流动垂直方向上温度大部分聚集在电池底部，冷却管道截面温度分布如6 图所示。
图6 原结构流道截面温度分布图
电池底部与温度最低的冷却液管道接触，管道的总宽度为84 mm，而电池对应的宽度为152 mm，因此底部容易产生温度不均匀的现象，其截面温度分布如图7 所示。
图7 原结构电池底部截面温度分布图
各单体电池底部温差如8 图所示。
结合图7 和图8 可以看出，与管道距离较近的位置温度最低，单个电池两端和中心产生了较大的温差，而在冷却液流动方向的垂直截面上，温度分布以管道处为中心呈扩散形状向外分布。电池内部热量分布差异较大，如图9 所示。
图8 原结构单体电池底部截面温差
图9 原结构流动方向截面温度分布
电池组各单体成流动方向侧截面温差，如图10所示。
图10 原结构流动方向截面温度温差
通过参考文献提供的有效基本参数结合实际数据参数，计算出本研究所需要的电池物理参数，从查看大量参考文献书籍及网络信息获得，动力电池以1C 的倍率放电完全可以，满足纯电动汽车在正常行驶条件。其为了减小仿真与实际环境情况的差异，通过选用0.1 m/s 较低冷却流速和增加20%生热功率的方法确定仿真相关参数和边界条件。
利用Fluent 软件对原结构动力电池组冷却模进行仿真分析，从散热性能和温度场获得以下结论。
当25 益冷却液以0.1 m/s 流速进入冷却管道，冷却1C 倍率放电下的电池组，电池组最高温度和温差控制在温度20 ～ 60 益，温差5 ～ 10 益的可接受范围，但未能达到电池的最佳温度范围。通过截面云图，可以看出电池组温度成梯形分布，冷却液流道内温度分布比较均匀。由于冷却板与电池底接触冷却导热面积较小，导致电池底部产生温度分布不均现象，因此需要对此问题进行优化。
基于原结构的温度仿真结果，对结构进行优化。通过原结构数据结果发现，其主要问题是电池底部冷却不均，由于铝金属材料导热性能良好与铜、石墨烯、金、银、稀有材料等导热材料相比价格低廉，其优化方案为在电池底部增加长152 mm、宽80 mm、厚度为3 mm 的导热铝板，这样做的目的是减少电池底部的温差，原理是铝材料的导热系数优于电池材料且各个方向导热系数相同，改进方案结构如图11 所示。
图11 改进方案结构图
对此结构建模后进行计算得出：出口温度为30.72 益，顶部最高温度为48.27 益，最低温度为42.98 益，最大温差为5.38 益。顶部截面温度分布如图12 所示。
图12 改进方案一电池顶部温度分布图
从下图13 所示的电池底部温度分布图中，可以看出单体电池底部温度图颜色与原结构电池部温度图颜色相比明显均匀许多。从图14 中可以看出，原结构电池底部温差在8.5 ～ 9.15 益间，改进后底部温差在3.3 ～ 3.95 益，温差降低了5.2 益。
图13 改进方案一电池底部温度分布图
图14 原结构与改进方案一单体电池底截面温差图
如图15 所示为采用增大电池底部与冷板的接触导热面积冷却单体电池时电池流向截面云图温度变化。从图中可以容易看出，电池截面呈现出三个比较有规则的不同的温度层。从图16 的原模型和改进后的各单体电池截面温差，可以知道原模型截面温差在12.90 ～ 13.25 益，改进模型温差在10.10 ～10.30 益，相比温差减小2.80 ～ 2.95 益间。
图15 改进方案流动方向截面温度分布图
图16 原结构与改进方案流动方向截面温度温差
根据改进方案的结果发现，顶部最高温度和最低温度均有下降，散热效率提高，流动方向上的电池截面等温线从原来中心扩散状，变得更加趋近于直线，但最大温差下降了不到1 益。分析原因是铝板只优化了单个电池内部的温度均匀性和电池底面的换热效率，电池整体的温差较大是由于从入口进入的低温制冷液逐渐被电池加热，制冷液与电池的温差逐渐减小，导致散热量减小。进一步对冷却液管道进行优化，冷却效果更佳好。
基于某纯电动汽车动力电池热管理系统的改进，首先对某纯电动汽车电池包、电池模组和热管理系统基本结构原理进行分析，利用三维建模软件建立电池模组冷却结构模型。根据磷酸铁锂锂离子单体电池的反应和生热特性，建立了电池导热模型，然后对实车电池组液冷却模型进行仿真，得出仿真结论后提出优化方法，最后电池组温度均匀分布特性获得有效提高。
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