动力锂电池组液冷散热仿真

薛龙

摘要：本文在对于电池组散热系统结构进行系统化分析的基础上，基于流体动力学理论利用ANSYS软件实现了电池组液冷散热仿真，对于电池组在充放电过程中的温度场分布有了较为清晰的认识，可在此基础上不断优化电池组散热结构，以提升动力电池组的使用性能。

关键词：动力系统；锂电池；液冷；散热；仿真

1 电池组散热系统结构

电动汽车电池系统常用的散热方式包括主动式及被动式冷却，依据电池组散热方式受外界干扰程度而分，其中，主动式冷却基本不受外界环境条件影响，可依据实际散热需求进行有效的散热；被动式冷却则受环境条件影响较大，目前常采用的散热方式包括空气冷却、液体冷却和相变材料冷却等三大类。

其中，空气冷却包括串行通风以及并行通风两种方式。两种空冷方式的差异在于空气掠过电池组的方式不同，串行通风中，冷空气沿着流场方向带走电池组热量，而并行通风中，冷空气平均分布于电池模块组各流道，电池组散热的均衡性更好，但电池组体积也进一步增大。目前，技术人员正在探索更加高效的散热方式，如采用梯形及梅花型排列等以不断增大电池组与空气的接触面积。

其次，液體冷却采用的流体介质为液体，一般具有较好的导热性能，通过液体介质与电池组间的热交换作用达到降温的目的。直接接触冷却方式对于冷却液体的绝缘性要求较高，如矿物油等，通过冷却液与电池模组的直接接触可实现均匀性散热，但冷却液的黏度一般较大；间接接触冷却方式可采用导热性能较好的介质如乙二醇等，通过冷板与电池模组隔开，冷板起到热量传输作用，换热效率相对提升，但同时散热结构也更加复杂。因此液体散热性能受流体的粘度、速度、热导率及接触方式等的影响。

2 动力锂电池组液冷散热仿真实验

由于锂离子电池在充放电过程中会产生大量的热而导致电池温度升高，电池温度过高会严重影响其性能，因此，散热系统的设计较为关键。以液体冷却为例，通过计算机流体仿真模拟可预测在电池工作过程中温度的分布情况，并进行有针对性的优化。

2.1 锂离子电池模型

采用磷酸铁锂单体电池作为研究对象，其额定容量100Ah，额定电压3.2V，最大瞬间放电电流800A，结构参数140*68*200mm。采用SolidWorks软件进行电池单体三维几何模型的设计，然后将所设计的三维模型导入ICEM CFD中进行网格划分。由于在对于复杂几何模型进行数值模拟时网格划分质量起到关键性作用，因此本文对于结构简单的锂离子电池采用四面体网格进行网格划分，电池内部和极柱的网格大小设置为1.8，壳体为1.2，可实现较高的网格精度，所建立的电池单体三维几何模型以及网格划分结构见下图1所示，其中网格划分总数为44863。

采用Fluent软件进行电池组散热性能的仿真分析可实现对温度场分布和各流体介质流场的高效化分析，且通过UDF编程可进一步优化仿真过程，由于电池的生热量在恒倍率充放电时是与欧姆内阻相关的函数，因此需通过在UDF中编程来定义变热源。

文章对恒倍率充放电条件下的内阻进行拟合。通过内阻随SOC变化的曲面图及生热速率计算得到生热速率是以内阻为变量的函数表达式。将网格导入Fluent中进行求解器、边界条件的设置，并编写热源程序。由于0℃～50℃内内阻变化率较小，故选用10℃和25℃下1C和1.5C的放电情况和0.3C和0.75C的充电情况进行仿真。

2.2 仿真结果分析

下图2所示分别为25℃、1.5C放

电温度场以及10℃、0.75C充电温度场云图，可发现充放电结束后中心区域的温度最高，且温度呈梯度变化。而极柱对池体生热影响不大。

3 结论

电动汽车以其较好的环境友好性逐渐受到广泛关注，有利于践行可持续发展战略。电动汽车的动力源为动力锂电池组，相较于传统能源型汽车其动力系统更加紧凑高效，且具有更好的环境友好性，可实现节能减排。主要问题即动力电池的散热问题，散热不良将导致电池表面温度场分布不均，影响到系统的安全性能及效率，因此需做好散热仿真工作，以不断优化散热结构。

参考文献：

[1]李腾，林成涛，陈全世.锂离子电池热模型研究进展[J].电源技术，2009， 33（10）：927932.

[2]罗玲，宋文吉，林仕立，吕杰，陈永珍，冯自平.工作温度对磷酸铁锂电池 SOC 影响及研究进展[J].新能源进展，2015，（01）：5969.