新能源動力電池?zé)峁芾頍岱抡娣治?/p>
熱管理系統(tǒng)介紹
本案列電池系統(tǒng)采用液冷熱管理方式的，如圖1和圖2所示是電池PACK系統(tǒng)前處理模型，主要包括：上下箱體，液冷板，導(dǎo)熱墊、隔熱護板、絕緣板、模組等結(jié)構(gòu)，由4個模組成，每個模組由18個50Ah方形電芯組成。液冷系統(tǒng)采用兩進兩出的并聯(lián)方式，箱體采用集成液冷系統(tǒng)設(shè)計，通過型材水冷板總成和框架總成通過FDS工藝和涂膠工藝進行固定和密封，該系統(tǒng)優(yōu)勢在于液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組件借用了箱體的結(jié)構(gòu)組件使得電池系統(tǒng)更輕。
利用ANSYS-SCDM軟件對電池包PACK建模前處理，以STAR-CCM+軟件作為液冷系統(tǒng)流場仿真和PACK熱場仿真的工具，建立熱流場仿真分析模型，最終實現(xiàn)了對動力電池在低溫停車加熱工況，常溫行車、高溫行車等工況PACK內(nèi)部電池溫度變化情況仿真，同時實現(xiàn)了對液冷系統(tǒng)內(nèi)部壓降和流量均勻性仿真，對冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計提出合理依據(jù)。
一、 仿真分析
鋰電池Pack設(shè)計中往往會借助熱流體仿真分析來輔助工程師完成pack熱管理系統(tǒng)設(shè)計，在熱管理系統(tǒng)設(shè)計階段，可對Pack、模組或電池進行熱場仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果快速地選擇出冷卻、加熱和保溫方式；在冷卻子系統(tǒng)設(shè)計階段，可以對Pack、模組或電池（帶冷卻子系統(tǒng)）進行熱場和流場仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果確定冷卻通道設(shè)計、冷卻介質(zhì)、冷卻入口溫度和流量以及風(fēng)扇或泵的參數(shù)等。
借助熱流體仿真分析工具，大部分的Pack熱管理設(shè)計工作和部分測試工作都可以在電腦上完成。大量的設(shè)計、制造、測試工作可以被省略，Pack設(shè)計的成本也會大幅度下降。下面基于案例的方式，介紹一下動力電池?zé)峁芾矸抡娣治龅幕玖鞒毯图记伞?/p>
該案列液冷系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)為：在指定工況下運行，電池系統(tǒng)內(nèi)部電芯的最大溫度小于50℃；電芯之間的溫差小于等于5℃；液冷系統(tǒng)的壓降小于10kPa，依據(jù)下圖*電芯單體的產(chǎn)熱數(shù)據(jù)，計算在1c滿放的情況下電池系統(tǒng)的產(chǎn)熱功率。
利用STAR-ccm+軟件的VOF模型，清楚的仿真出液冷板內(nèi)從開始注入冷卻液到注滿冷卻熱的過程。
設(shè)置進口兩相材料的體積分數(shù)：cooling water：air=1：0
設(shè)置出口兩相材料的體積分數(shù)cooling water：air=0：1
定義進口質(zhì)量流量值：（4L/min）
從云圖6中我們可以看到，在不到1min的時間內(nèi)，冷卻液充滿整個液冷板內(nèi)腔。同時在流道的轉(zhuǎn)彎區(qū)有漩渦現(xiàn)象，有優(yōu)化空間。
圖6 冷卻液流動云圖（動圖）
圖7 1c放電發(fā)熱功率
圖8通過STAR-CCM+仿真工具計算出來的液冷系統(tǒng)的壓力云圖，從仿真的結(jié)果上看，系統(tǒng)的壓降為1.8kPa，整個系統(tǒng)采用兩進兩出的兩個并聯(lián)結(jié)構(gòu)，流量的均勻性必然滿足設(shè)計要求。
圖8 液冷系統(tǒng)流場分析
圖9為隨著時間變化的電池系統(tǒng)的溫度云圖，該工況模擬了新能源汽車在夏天室外環(huán)境曝曬一天后，啟動汽車進行高速行駛工況，屬于電池系統(tǒng)的高溫冷卻工況，圖10高溫冷卻電芯溫度變化曲線上，分析得出1C滿放的工況時，在冷卻系統(tǒng)作用下，最高溫度40.6℃，電芯間的最大溫差1.8℃，滿足熱設(shè)計目標(biāo)，在曲線末端出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，由圖7可看出電芯在放電末端發(fā)熱量較大，通過計算，第Ⅱ階段電芯的平均發(fā)熱量是第Ⅰ階段的1.8倍，導(dǎo)致曲線末端出現(xiàn)溫升現(xiàn)象。
圖9 高溫冷卻電芯溫度變化云圖（動圖）
圖10 高溫冷卻電芯溫度變化曲線
圖11為在常溫高速行車工況電池溫度隨著時間變化的溫度云圖，該工況模擬了一般常溫條件下，駕駛員在高速上高速行車。初始環(huán)境溫度為20℃，當(dāng)監(jiān)測點最低溫度大于38℃開啟冷卻系統(tǒng)，冷卻液單個進口流量4L/min，入口溫度22℃。圖14為常溫行車電芯監(jiān)測點溫度變化曲線，總個工況分為兩個工作過程，分別為0-3368S液冷系統(tǒng)未開啟的第Ⅰ階段和3369s-3600s液冷系統(tǒng)開啟的第Ⅱ階段。在第Ⅰ階段，電芯溫度隨著放電進行持續(xù)升高，在第3368s最低溫38℃，溫差3.1℃，滿足系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)5℃；在第Ⅱ階段的第3369s開始液冷系統(tǒng)進行冷卻，但溫度還繼續(xù)升高，一方面由于熱慣性的存在，另一方面，由于電芯放電末端發(fā)熱量倍增，導(dǎo)致開始冷系統(tǒng)后電芯溫度繼續(xù)上升主要因素。到了3548s由于冷卻系統(tǒng)作用電芯的溫度出現(xiàn)下降。整個過程最高溫度42.7℃，最大溫差3.2℃，滿足設(shè)計目標(biāo)。
圖11 常溫高速行車電芯溫度變化云圖（動圖）
圖12常溫高速行車電芯溫度變化曲線
圖13為在低溫工況電池系統(tǒng)隨著時間變化的溫度云圖，該工況模擬了新能源汽車在冬季寒冷得季節(jié)放置車庫一夜后，啟動汽車把電池加熱到能工作溫度并進行高速行駛工況。初始環(huán)境溫度為-20℃，當(dāng)監(jiān)測點最低溫度不小于5℃時關(guān)閉液冷系統(tǒng)，冷卻液單個進口流量4L/min，入口溫度30℃。整個仿真過程包括低溫加熱和1c放電工況，在低溫加熱工況下，電芯監(jiān)測點最高溫度10.9℃，最大溫差6℃，液冷系統(tǒng)加熱速率為1.6℃/min；1c放電工況，檢測點最高溫度30℃，放電末端溫差在3.7℃內(nèi)。溫差整體先增大后減小，加熱拉大電芯溫差，放電過程溫差減小，主要是由于放電過程中每個電芯發(fā)熱量一樣，發(fā)熱較電芯底部加熱熱量更加均勻。
圖13低溫加熱電芯溫度變化云圖（動圖）
圖14 低溫加熱電芯溫度變化曲線 模型簡化
通過分析數(shù)模的結(jié)構(gòu)組成及各部件的作用以評估各部分對熱系統(tǒng)的影響，進而決定對部件的保留、簡化、還是舍棄。模型簡化的原則，在盡可能仿真精度的情況下，通過簡化減少網(wǎng)格的數(shù)量同時提高網(wǎng)格質(zhì)量，提高計算效率。如圖3和圖4分別是動力電池模組簡化前后得模型。
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