某款电动汽车水冷电池包热仿真研究

安益路 叶伊苏 王伟民

摘要：电动汽车在工作过程中，电池充放电产生的热量会导致电池包内温度升高，温度过高会损害电池的电性能、使用寿命，甚至发生燃烧爆炸。在电池包开发过程中，有必要对电池包内的温度场进行仿真分析，结合电池包充放电试验，确保电池在使用过程中安全。本文建立了电池包CFD热仿真分析方法，在同一工况下，开展仿真和实验工作，把仿真结果与实验结果进行对比，仿真值与实验值基本吻合，说明仿真方法正确，可以为电动汽车电池包的设计开发提供意见和建议。

关键词：CFD;电池包;热仿真

随着油耗和排放法规越来越严苛以及国家政策对新能源汽车发展的大力支持，越来越多的企业必将发展重心由传统燃油汽车转移到新能源汽车领域来。电池包作为电动汽车的动力之源，在电动汽车开发中占领非常重要的地位。电动汽车在行驶和充电过程中，电池包中电池的生热会引起电池包内温度上升。电池产热过程是一个极其复杂的过程，国内外已对其进行了大量的研究和探索，本文运用电池生热经验公式计算电池的发热功率，并借助CFD软件对某电动汽车的电池包进行热仿真分析，把仿真结果与实验结果进行对比，仿真结果与实验值吻合，验证了仿真方法的正确性。

1 电池包结构简介

电池包作为电动汽车的动力之源，是电动汽车的核心组成部分。电池包、电池模组、电池单体之间的关系：一个电池包里有多个电池模组，一个电池模组由多个电池单体组成。电池包中还包括BMS、防爆阀、线束、支架等关键零部件，水冷电池包中还有水冷系统。

1.1电池包

为纯电动汽车或混合动力汽车提供动力源的装置称作电池包，图1是某电动汽车的电池包结构图，电池包内有电池模组、电池控制系统、线束等。水冷装置作为水冷电池包中的重要组成部分，当电池包温度过高或过低时，分别为电池散热和加热，保证电池包内温度处于正常工作温度区间。

1.2电池模组

电池模组是电池包的重要组成部分，模组的支架是一个用绝缘材料和导热材料组成的盒子，将多个电池单体通过串并联的方式有序的排列在盒子内部，电池单体之间通过导热板间隔开。图2a是某电池包的模组CAD图。模组的核心部件是电池单体，电池单体之间有导热板，两端依次有绝缘板、减震板、端板，两侧依次有绝缘板.侧端板。图2b是某电池模组的结构分解图。

1.3电池单体

目前，锂离子动力电池单体有圆柱形和方形两种结构，本次研究的锂离子电池为方形结构，如图3所示。内部结构由正极材料、隔膜、负极材料、电解质等几部分组成，将电芯材料按电池的化学反应机理堆叠成方形电池^[1]。

2电动汽车锂离子电池热特性分析

2.1电池的生热机理

工程中很难准确获取电池单体生热速率q的表达式，目前，获取q的表达式主要有理论计算和试验测定。试验测定对试验条件有很高的要求，直接测定是很困难的。在估算电池的生热速率时，常用加州大学伯克利分校D.Bernardi的电池生热速率模型^[2]，本文也采用该生热模型。生热速率q的数学模型如式1所示：

式中：其中，Vb为电池的体积，I是电池充放电电流，E₀为电池的开路电压，U₁是电池的路端电压，T是热力学温度，（E₀-U₁））表示焦耳热部分，用电池的内阻与电流强度的乘积替换，T （dE₀）/dT表可逆反应热部分，是电化学反应的相关量，对于特定的电池，可认为是常量，由于其值与焦耳热部分相比很小，在仿真过程中可忽略不计。若电池的内阻为R，则电池的发热功率可以简化为式

2所示：

2.2电池包内传热分析

电池与电池模组内各个固体部件之间通过热传导传递热最，各零部件与外部空气之间的热传递形式为向然对流换热。当电池温度达到温度限值，水冷系统开启，冷却液将电池包内热量带走从而使电池温度降至合适的温度区间。

3 电池模组温度场CFD分析

3.1仿真模型的建立

3 .1.1网格划分

将电池包装配图的CAD模型导人仿真软件STAR-CCM+中，对模型进行适当简化（除去了线束、螺栓、托架等小部件，对零件问的小缝隙进行了简化，去除零部件的倒角），如图5所示。各零部件间的传热界面通过Interface连接，将处理好的而网格生成体网格。其中，电芯、端板和流体空间采用多面体网格，导热版、绝缘板等薄壁件采用六面体网格，网格总数为2400万。

3.1.2模型设置

流体与固体之间属于对流换热，根据工程经验选用K-Epsilon湍流模型^[3]。流体与固体之间接触面之问设为流固耦合传热面，壁面设置为无滑移温度壁面边界条件。考虑到靠近模组的空气温度较高，选择理想气体作為空气，考虑空气的浮力^[4]。

3.1.3材料属性

电池模组各部件的材料属性如下表1所示：

表1材料属性

3.1.4边界条件设置

在电池包台架实验过程中，将电池包放置在恒温箱里进行实验，图6a是电池模组的实验装置图，电池包实验与之相似，恒温箱内空气的温度恒定不变。实验前须将电池包静置在恒温箱中一段时间，使电池包初始温度与恒温箱里的空气温度相同。电池包边界条件设定示意图如图6b所示。在本次研究过程中，恒温箱里的温度设置为温度20℃，初始时刻电池包的温度同为20℃。仿真工况与实验保持一致，初始温度同为20℃。流体空间外表面设置为无滑移恒温边界条件，温度设定为20℃。电池为体积热源，材料导热系数各向同性，放热功率通过公式（2）计算得到。

电池包发热工况：37 A放电（33% SOC-0%SOC） -静置30 min-74 A充电1490 s（0% SOC-100% SOC） -静置30 min-74 A放电1532 s（95%SOC-0% SOC），总时间7822 s。通过公式（2）计算得到上述工况下电池包的发热功率图7所示：

冷却系统工况：冷却液为成分为乙二醇和水的混合物，体积分数各占50%，进口流量10L/min，温度27℃。

3.1.5求解器设置

本文选用SIMPLE算法求解耦合场，将不同区域中的传热过程合成一个整体的传热过程，整体离散，整体求解^[5]，对流体域和固体域采用同样的数值离散规则进行迭代计算。

3.2 仿真结果

工况结束时，电池包内温度云图如图7所示。电池模组温度呈环状分布，如A-A所示，从图中可以看出，电池中心区域温度较高，电池边缘处温度较低。由于冷却液布置在电芯底部，电池底部的温度比上表面的温度低。

电池包内高温区如图8a所示，于实验一致，找出了高温区域出现的原因是由于水冷管布置不合理导致的，为设计人员提出了优化建议。受空气热对流的影响，电池包内流场分布如图8b所示，红色箭头表空气流动方向。

为验证水冷系统在电池包热管理中的冷却效果，在同一工况下，进行两种仿真方案对比。方案一开启水冷，电池包散热形式为水冷散热，温升曲线如图9中蓝线所示;方案二不开启水冷，电池包散热形式为白然散热，温升曲线如图9中红线所示。

在电池温度低于水温时，水冷板中水对电池包有加热作用，电池包温升较快，加热效果如图中蓝线以下红线以上区域所示;当电池温度超过25℃时，水冷板中的水对电池有冷却作用，电池包温升较慢，图中红线以下蓝线以上区域即为冷却效果。

3.3 仿真与实验对比

将仿真值与实验值进行对比，如表2所示。从表中可以看出，电池包实验与仿真的最大温度基本相同，实验值与仿真值之间的误差不超过2℃。说明通过电池包仿真分析可以预测电池模组在实际工作过程中的温升情况，可以为电动汽车电池包的设计开发提供技术支持。

由表2可知，仿真结果与实验值之间有误差，主要原因可归纳为如下几点：

（1）仿真时对电池内部材料进行了假设，假设电池材料介质均匀，密度一致，锂离子电池的热物性参数保持不变，电池的生热速率不随温度的变化而变化。

（2）仿真时中电池的热物性参数有偏差。

（3）电池包实验过程存在误差，导致实验值有偏差。

4 总结

本文首先介绍了电动汽车锂离子动力电池包热仿真分析的必要性，建立了水冷电池包CFD热仿真分析模型。介绍了电池充放电的实验过程，基于实验情况确定了传热模型的物性参数和边界条件。通过仿真软件对电池包进行热分析仿真计算，把仿真结果与实验结果进行了对比分析。电池上表面温升仿真值与实验值基本一致，误差控制在10%以内。说明该热仿真方法可以预测电池包在实际工作过程中的温升情况，为电动汽车电池包的热管理设计开发提供技術支持。

参考文献：

[1]辛乃龙纯电动汽车锂离子动力电池组热特性分析及仿真研究[D].长春吉林大学，2012.

[2]基于行驶工况的动力锂离子电池包的热动力仿真（英文）[J].汽车安全与节能学报，2012，3（1）51-57.

[3]王福军计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4]杨建国，张兆营，鞠晓丽，谭建宇工程流体力学[M].北京：北京大学出版社，2010.

[5]林国发纯电动汽车锂电池组温度场研究及散热结构化优[D].重庆大学，2011.