鉅大LARGE | 點擊量：1150次 | 2021年04月16日
如何計算新能源汽車電池包液冷熱流 你了解嗎？
汽車的發展不僅推動了現代社會的進步，而且促進了地區之間的交流，但同時也帶來了環境污染及能源消耗問題。以電動汽車為代表的新能源汽車將是解決汽車工業可持續發展問題的重要途徑之一。動力鋰電池作為電動汽車的關鍵零部件，直接影響著電動汽車產業化的進程。因此，針對動力鋰電池的熱管理系統研究是十分必要與迫切的。
設計性能良好的電池組熱管理系統，要采用系統化的設計方法。很多研究文獻都介紹了各自設計的熱管理方法，因此，在儲能系統電池組應用中，還要對電池進行熱管理設計。
但真實的電池組熱環境是極其復雜的，依靠傳統理論的手動計算或相關經驗估計，已經無法滿足對產品研發的需求，因此要借助成熟的CFD技術來完善對電池組熱特性的準確評估與分析，合理優化改善電池組內部熱環境，提高其可靠性。
Icepak熱分析軟件可以解決各種不同尺度級別熱模型，或者幾何尺寸細長比比較小的熱模型散熱問題，同時供應了電池包熱仿真要的風扇風機模型（可輸入P-Q曲線）、導流板模型、快速提取風管模型、電池包殼單元模型，因此Icepak可以快速建立電池包幾何建模、同時具有豐富的網格類型、網格質量評價工具，其計算求解精度高且穩定，并具有豐富的后處理功能。
仿真分析與實測數據的比較結果表明，Icepak能夠有效模擬電池組的溫度場及流場，可以作為一種溫度試驗仿真技術用于電池組的熱管理設計與優化。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
總之，高度有效的熱管理系統能夠有效控制電池組的工作溫度范圍，關于保證電池組的電性能、均一性和安全性具有重要用途，因此是新能源汽車發展的重要技術環節。本文選擇某純電動轎車用電池組的熱管理系統為對象，利用Icepak軟件對其進行了計算流體動力學（CFD）仿真分析。
一、電動汽車熱管理系統的必要性
電動汽車電池組溫度不均會導致鋰離子電池容量分布不均，縮短整體電池組使用壽命，降低整車性能。通過設計高效的熱管理系統不僅能夠使電動汽車電池組工作處于合理的溫度的工作區間，而且可以排除由于熱失控而出現的一系列潛在的危險。
當電池組的工作溫度超過合適溫度要對電池進行散熱，保證電池組溫度場分布均勻；當環境溫度過低時要對電池組進行快速加熱，使電池組能夠正常工作。
二、電池組熱管理仿真分析
1、熱管理系統分析
電池熱管理系統重要包括高溫冷卻和低溫加熱功能。熱管理高溫冷卻方式重要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻；熱管理低溫加熱方式重要有電池內部加熱法和電池外部加熱法。某純電動轎車熱管理系統高溫冷卻方式采用空氣冷卻，布置在整車后座椅下方的后座椅電池組前端設計通風口且與乘員艙相通，前后電池組中間安裝兩個金屬風管，利用后備廂尾部抽風機總成抽取乘員艙內
的空調風對電池組進行冷卻。在環境溫度過低情況下，前電池組內部設置有加熱器，利用加熱器上部設置的風扇以及后備廂風機對加熱器進行強迫對流來達到加熱的目的。
2、電池系統模型建立
某電動汽車電池組利用Icepak軟件進行自建模及復雜模型導入兩種方式建立電池組模型，其中重要部件包括電池組外殼、電池單體、電池模組、加熱器、軸流風扇、離心風機等。為了保證分析結果精度，要考慮模組內單體電池之間的間隙，建立模型如圖1和圖2所示。
3、邊界條件的設定
電池組熱管理仿真分析工況重要包括高溫冷卻及低溫加熱的仿真模擬。動力鋰電池組采用1C放電倍率（假如電池總成容量50Ah，那么在充滿電的情況下，1C指50A電流1h放電結束；2C指100A電流2h放電結束），外殼材料為SPCC；電池單體功率為0.08W，材料為不銹鋼；電池組內部模組固定板的材料為ABS板；加熱器材料為鋁，功率為800W，根據所選的風扇類型輸入相應P-Q曲線。
電池組高溫冷卻環境溫度為40℃，前電池組進風口位置溫度為19℃，采用1C放電。低溫加熱環境溫度為-10℃，利用前電池組的加熱器對電池組進行加熱，利用外接電源通過DC/DC啟動加熱器工作，在此過程電池組處于不放電狀態。
4、網格劃分
根據建立的動力鋰電池組幾何模型，使用六面體網格、多級網格、局部加密網格，劃分出高質量的網格，劃分的網格如圖3和圖4所示。
三、仿真結果分析
1、電池組高溫冷卻穩態分析
利用電池組穩態分析結果可以發現電池組的溫度分布趨勢，對電池組成組設計及改進起到重要用途。由圖5中的電池組內部跡線分布可以看出，前電池組中間位置出現流體區域分布不均，后電池右側區域出現流體分布不均。
2、電池組高溫冷卻瞬態分析
電池組穩態分析可以發現電池組溫度分布趨勢。電動汽車電池組容量有限，故對電池組進行瞬態分析與實際情況接近并能夠利用試驗驗證仿真分析的合理性。
通過對電池組進行瞬態分析，電池組在1C放電1h最大溫差為7.1℃，最高溫度為37.2℃，滿足熱管理高溫冷卻要求。
3、電池組低溫加熱穩態分析
在環境溫度較低情況下對電池進行充電不僅給電池帶來損害而且還會帶來安全隱患，因而在對電池進行充電之前要將電池組的最低溫度加熱到合理工作溫度區域。
從圖11～14分析結果可知，電池組在利用加熱器對電池組進行加熱達到穩態時最高溫度為14℃，最大溫差為9.7℃，由于后電池組左右不對稱導致局部溫度較高。
4、電池組低溫加熱瞬態分析結果
通過對電池組進行瞬態分析，電池組在1C放電1h最大溫差為12.2℃，且最高溫度為6.3℃，滿足熱管理低溫加熱要求。
四、試驗驗證
將整車放置于環境倉內，并將環境溫度設置為電池組仿真時極限溫度。高溫冷卻時保持1C放電，并開啟空調；低溫加熱時將整車連上電源。通過
通過對表1和表2的數據進行分析可以得出，環境溫度為40℃，1C放電電池組最高溫度為34℃，溫差為3℃，與仿真數據最高相差1.7℃，差距較小。通過對表3和表4的數據進行分析可以得出，環境溫度為-10℃，整車電池組處于不放電狀態，加熱1h，電池組最高溫度為5℃，溫差為8℃，試驗數據與仿真數據最大誤差為5℃，考慮低溫加熱時加熱器的輻射角度系數的不確定性，導致仿真結果與試驗結果誤差比高溫冷卻時的大。
五、結論
1、設計電池組熱管理系統應采用系統化的設計方法，性能優良的熱管理系統一般應是多次仿真優化改進的成果。
2、空氣冷卻方式仍然是目前重要采用的方法，實現方式簡單，但冷卻的效果不佳。
3、某純電動轎車電池組熱管理系統設計較為合理、成本低，滿足用戶使用需求。
4、電池熱模型研究是電池熱管理設計過程中重要組成部分，直接影響到熱管理系統仿真結果。
5、利用Icepak軟件進行熱管理仿真分析，能夠反映電池組溫度分布趨勢，且分析結果與試驗數據差距較小，說明Icepak應用于新能源電動汽車電池組仿真分析是可行的。
6、利用Icepak軟件仿真結果對溫度傳感器布置的數目及位置起到指導用途。
