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基于STAR-CCM+的電動車液冷動力電池

2021-09-16 08:24:59·  來源：新能源熱管理技術(shù)  
　
1 模型簡介 本文以某款電動車的低配電池包為計算模型，該電池包共包含22 個電池模組。該電池包采用的冷卻方式為箱體底部集成液冷系統(tǒng)，將所有液冷板放置于電池模
1 模型簡介
本文以某款電動車的低配電池包為計算模型，該電池包共包含22 個電池模組。該電池包采用的冷卻方式為箱體底部集成液冷系統(tǒng)，將所有液冷板放置于電池模組下部，通過導(dǎo)熱硅膠進(jìn)行熱傳導(dǎo)。模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了提高計算效率，不考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，假設(shè)電池內(nèi)部材料物理屬性相同，在相同方向上導(dǎo)熱系數(shù)相同。 2 液冷流場仿真 2.1 模型與求解設(shè)置 在進(jìn)行溫度場仿真之前，首先對液冷板流場進(jìn)行仿真及優(yōu)化，提取尼龍管、液冷板的內(nèi)表面，建立流場仿真模型，進(jìn)口與出口延長200mm，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，生成兩層邊界層，邊界層總厚度為0.4mm，體網(wǎng)格數(shù)為1820萬，如圖1，進(jìn)口為流量入口，流量為18L/min，出口為壓力出口，相對壓力為零。冷卻介質(zhì)為50%的乙二醇水溶液。原方案匯流管徑由左往右分別為：8mm、9mm、10mm、9mm、10mm。


2.2 仿真結(jié)果分析
對液冷板流場進(jìn)行仿真求解，讀取液冷板每根口琴管流量大小，計算流量最小值與最大值的偏差，結(jié)果見表1，0表示該口琴管流量最大，原方案的最大流量偏差為36%，不滿足10%的目標(biāo)值。靠近入口的匯流管流量最大，因減小靠近出口的匯流管管徑。為了使得口琴管間流量分配均勻，優(yōu)化各匯流管的管徑，具體方案如表2。
優(yōu)化后的計算結(jié)果見表3，通過調(diào)整匯流管管徑，方案3中各口琴管間最大的流量偏差為9%，滿足各支路流量分配的設(shè)計要求。

3 電池包溫度場仿真 3.1 模型與求解設(shè)置 建立電池包溫度場仿真模型，簡化電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)，省略對溫度場影響很小的螺栓、安裝孔、線束等零件，模組采用簡化模型，液冷板采用方案3 的回流管管徑尺寸，如圖4所示。在STAR-CCM+軟件中進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，冷卻管路為多面體網(wǎng)格，尼龍管、導(dǎo)熱墊與液冷板為拉伸體網(wǎng)格，空氣域及其它零部件為切割體網(wǎng)格，冷卻管路生成兩層，其它計算域不設(shè)置邊界層，體網(wǎng)格數(shù)為2210 萬。模組芯體等效模型的熱物性參數(shù)：密度為2200kg· m-3，比熱容為950J·kg-1·K-1，X 與Y 向?qū)崧蕿?2.7W·m-1·K-1， Z 向?qū)崧蕿?.82W·m-1·K-1。其它電池包零件材料熱物性參數(shù)見表4

計算模型采用穩(wěn)態(tài)計算模式，湍流模型為k-ε 模型，流體為恒密度不可壓縮流體。設(shè)置環(huán)境溫度為25℃，冷卻液溫度為15℃，22 個模組總發(fā)熱量為2.2kW，為了簡化計算模型，將模組設(shè)置為體熱源，總發(fā)熱量均布在每個電芯內(nèi)部。 3.2 仿真結(jié)果分析 根據(jù)上述計算模型及熱物性參數(shù)的設(shè)置，對電池包溫度場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動傳熱仿真，模組溫度云圖如圖5 所示。模組下表面靠近液冷板，溫度最低，最大溫度點在上表面中心，這是由于空氣自然對流傳熱的作用，使得模組周圍溫度低于中心溫度。對比不同模組的最高溫度可以看出，模組最高溫度的最小值出現(xiàn)在圖3 中左下角的模組，即距離冷卻液入口最近的模組，最小值為45.4℃，而模組最高溫度的最大值出現(xiàn)在圖中靠近冷卻液出口一側(cè)中間位置的模組，最大值為47.6℃，這是由于流入口琴管4 的冷卻液流量最小。由此得出，22 個模組的溫度偏差為2.2℃，溫度分布均勻，滿足最大溫差為3℃的目標(biāo)值，保證了電池系統(tǒng)的安全性以及電動汽車足夠的續(xù)航里程。

本文建立了動力電池包的液冷板仿真模型與整包溫度場模型，采用STAR-CCM+軟件進(jìn)行了計算流體力學(xué)數(shù)值仿真分析，通過優(yōu)化液冷板的回流管管徑，使得液冷板的流量偏差達(dá)到目標(biāo)值，為電池包的設(shè)計提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。溫度場仿真結(jié)果證實了流量分布均勻的液冷板可以有效地滿足溫度一致性，最大溫差為3℃。電池包的液冷板流場仿真與整包溫度場對動力電池包的熱管理具有重要指導(dǎo)意義。
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