動力鋰電池組液冷散熱仿真

薛龍

摘要：本文在對于電池組散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)化分析的基礎(chǔ)上，基于流體動力學(xué)理論利用ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)了電池組液冷散熱仿真，對于電池組在充放電過程中的溫度場分布有了較為清晰的認(rèn)識，可在此基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化電池組散熱結(jié)構(gòu)，以提升動力電池組的使用性能。

關(guān)鍵詞：動力系統(tǒng)；鋰電池；液冷；散熱；仿真

1 電池組散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動汽車電池系統(tǒng)常用的散熱方式包括主動式及被動式冷卻，依據(jù)電池組散熱方式受外界干擾程度而分，其中，主動式冷卻基本不受外界環(huán)境條件影響，可依據(jù)實(shí)際散熱需求進(jìn)行有效的散熱；被動式冷卻則受環(huán)境條件影響較大，目前常采用的散熱方式包括空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻等三大類。

其中，空氣冷卻包括串行通風(fēng)以及并行通風(fēng)兩種方式。兩種空冷方式的差異在于空氣掠過電池組的方式不同，串行通風(fēng)中，冷空氣沿著流場方向帶走電池組熱量，而并行通風(fēng)中，冷空氣平均分布于電池模塊組各流道，電池組散熱的均衡性更好，但電池組體積也進(jìn)一步增大。目前，技術(shù)人員正在探索更加高效的散熱方式，如采用梯形及梅花型排列等以不斷增大電池組與空氣的接觸面積。

其次，液體冷卻采用的流體介質(zhì)為液體，一般具有較好的導(dǎo)熱性能，通過液體介質(zhì)與電池組間的熱交換作用達(dá)到降溫的目的。直接接觸冷卻方式對于冷卻液體的絕緣性要求較高，如礦物油等，通過冷卻液與電池模組的直接接觸可實(shí)現(xiàn)均勻性散熱，但冷卻液的黏度一般較大；間接接觸冷卻方式可采用導(dǎo)熱性能較好的介質(zhì)如乙二醇等，通過冷板與電池模組隔開，冷板起到熱量傳輸作用，換熱效率相對提升，但同時(shí)散熱結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。因此液體散熱性能受流體的粘度、速度、熱導(dǎo)率及接觸方式等的影響。

2 動力鋰電池組液冷散熱仿真實(shí)驗(yàn)

由于鋰離子電池在充放電過程中會產(chǎn)生大量的熱而導(dǎo)致電池溫度升高，電池溫度過高會嚴(yán)重影響其性能，因此，散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵。以液體冷卻為例，通過計(jì)算機(jī)流體仿真模擬可預(yù)測在電池工作過程中溫度的分布情況，并進(jìn)行有針對性的優(yōu)化。

2.1 鋰離子電池模型

采用磷酸鐵鋰單體電池作為研究對象，其額定容量100Ah，額定電壓3.2V，最大瞬間放電電流800A，結(jié)構(gòu)參數(shù)140*68*200mm。采用SolidWorks軟件進(jìn)行電池單體三維幾何模型的設(shè)計(jì)，然后將所設(shè)計(jì)的三維模型導(dǎo)入ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于在對于復(fù)雜幾何模型進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)網(wǎng)格劃分質(zhì)量起到關(guān)鍵性作用，因此本文對于結(jié)構(gòu)簡單的鋰離子電池采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，電池內(nèi)部和極柱的網(wǎng)格大小設(shè)置為1.8，殼體為1.2，可實(shí)現(xiàn)較高的網(wǎng)格精度，所建立的電池單體三維幾何模型以及網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)見下圖1所示，其中網(wǎng)格劃分總數(shù)為44863。

采用Fluent軟件進(jìn)行電池組散熱性能的仿真分析可實(shí)現(xiàn)對溫度場分布和各流體介質(zhì)流場的高效化分析，且通過UDF編程可進(jìn)一步優(yōu)化仿真過程，由于電池的生熱量在恒倍率充放電時(shí)是與歐姆內(nèi)阻相關(guān)的函數(shù)，因此需通過在UDF中編程來定義變熱源。

文章對恒倍率充放電條件下的內(nèi)阻進(jìn)行擬合。通過內(nèi)阻隨SOC變化的曲面圖及生熱速率計(jì)算得到生熱速率是以內(nèi)阻為變量的函數(shù)表達(dá)式。將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行求解器、邊界條件的設(shè)置，并編寫熱源程序。由于0℃～50℃內(nèi)內(nèi)阻變化率較小，故選用10℃和25℃下1C和1.5C的放電情況和0.3C和0.75C的充電情況進(jìn)行仿真。

2.2 仿真結(jié)果分析

下圖2所示分別為25℃、1.5C放

電溫度場以及10℃、0.75C充電溫度場云圖，可發(fā)現(xiàn)充放電結(jié)束后中心區(qū)域的溫度最高，且溫度呈梯度變化。而極柱對池體生熱影響不大。

3 結(jié)論

電動汽車以其較好的環(huán)境友好性逐漸受到廣泛關(guān)注，有利于踐行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。電動汽車的動力源為動力鋰電池組，相較于傳統(tǒng)能源型汽車其動力系統(tǒng)更加緊湊高效，且具有更好的環(huán)境友好性，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。主要問題即動力電池的散熱問題，散熱不良將導(dǎo)致電池表面溫度場分布不均，影響到系統(tǒng)的安全性能及效率，因此需做好散熱仿真工作，以不斷優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李騰，林成濤，陳全世.鋰離子電池?zé)崮Ｐ脱芯窟M(jìn)展[J].電源技術(shù)，2009， 33（10）：927932.

[2]羅玲，宋文吉，林仕立，呂杰，陳永珍，馮自平.工作溫度對磷酸鐵鋰電池 SOC 影響及研究進(jìn)展[J].新能源進(jìn)展，2015，（01）：5969.