锂离子动力电池系统热管理仿真分析及设计优化

摘 要：为了拓展锂离子动力电池的操作温度范围并确保其性能稳定，采用了先进的热管理系统设计。本文聚焦于运用计算流体力学（CFD）仿真技术，深入探究了电池单元在变化工况下的热产生特性、模组级的温度分布情况以及在加热与冷却过程中的表现。通过对多种散热架构的仿真数据进行横向比较，得以精进电池系统的热交换机制。实际车辆的冷却测试结果证实，优化后的热管理方案能够有效维持电池在适宜的工作温度区间内，从而保证了电池的效能和耐久性。

关键词：热管理 动力电池 仿真分析

随着新能源汽车行业的迅猛增长，电动车的应用范围日益扩大，对车辆性能的标准也随之提升。在电池系统的性能指标中，人们尤为关注其耐用性、安全性及实用性，而这些指标与电池的热管理问题密切相关。纯电动车的核心在于其动力电池技术，动力电池的效能及其使用寿命对环境温度极为敏感，其理想的工作温度范围应控制在25℃至45℃之间。在充电与放电过程中，电池会自然发热，导致内部温度升高。这种温度的上升会直接影响电池的多项性能指标，包括内阻、电压、状态-of-电荷（SOC）、实际可用容量、充放电效率以及电池的整体寿命。纯电动车的核心在于其动力电池技术，而要推动纯电动车的发展，动力电池的性能至关重要。动力电池的效能及其使用寿命对环境温度极为敏感，其理想的工作温度范围应控制在25℃至45℃之间。在充电与放电过程中电池会自然发热，导致内部温度升高。这种温度的上升会直接影响电池的多项性能指标，包括内阻、电压、状态-of-电荷（SOC）、实际可用容量、充放电效率以及电池的整体寿命。特别是在极端条件下，锂离子电池若长时间运行，不仅会加速老化，埋下安全隐患，导致事故发生。

1 模组及 PACK 的成组方式

基于壳体边界约束并力求电池包空间效率最大化的原则下，采用了四种创新性模组架构。具体而言3P16S及其变体3P16S-1，还有3P6S与3P6S-1，这两组模组呈现镜像对称布局。于后侧边缘，两个3P16S模组被安置；在主开关装置（MSD）下方的后中区域，则配置了一个3P14S模组[1]。电池包中心区域密集排列了五个 3P6S 模组，而最前端则独占一个3P9S模组。整体上电池包由3P85S构成，其详细的结构排布请参阅图1。

2 电池系统结构部件温度场分析

2.1 单体和模组的温度场分析

通过应用计算流体力学（CFD）分析，对单体电池在变化工作条件下的热行为进行了深入探究，具体结果参见图2。观察发现电池芯中心区域展现出了显著的高温特征，与周边区域形成鲜明对比，温度梯度分布清晰可见。

借助计算流体力学（CFD）技术，对电池模组的温度场特性展开了细致研究，详情请参阅图3。聚焦于模组内部热传导机制，特别针对3P9S与3P16S两种标准配置的模组，实施了PTC加热仿真实验，设定加热时长为1800秒，环境基准温度定为0℃。PTC元件以每分钟0.35℃的升温速率，分别对两类模组施加热负荷[2]。图3所示，在1800秒加热后，3P9S模组的电池表面温差为5℃左右，高温区域没有出现明显改变。对于3P16S模组，同样条件下电池表面最高温差约9℃左右，高温区域同样没有出现明显的变化。

参照图4的电池包结构，选取具有代表性的单一模组进行热管理仿真测试。单体电池的产热率为 0.5W，入口空气温度设定为 28 摄氏度，PTC 元件与金属壳体实现热接触以促进散热[3]。仿真结果揭示，隔板中心区域有热量聚集现象，但电芯通过铝板的热传导运作正常；PTC构件紧挨着支架边沿的充分接触面有效地实现了热量的均匀分布。

2.2 导热铝板传热分析

鉴于铝板与电池单元间夹层的PET薄膜具有较低的热导性，其确切的热传输效率不明，故通过仿真分析，对比了含与不含PET膜情况下的热传导性能。PET膜的存在与否对温度梯度的影响仅约0.2摄氏度，差异微乎其微。

3 电池包热仿真

基于原有的箱体架构，充分考量内部模块的实际几何形态及热仿真所需模型的特定要求，对结构进行了精简，剔除了诸如螺丝、螺母、安装孔和加固肋条等细小部件，从而构建出适于数值仿真的简化模型[4]。利用电池系统中可利用的空余空间，创新设计了散热架构，并提出了多种结构方案。通过对比分析这些方案在热仿真中的数据表现，评估了各设计的合理性及其潜在局限性。

3.1 电池包原始风道结构热仿真

原始风道设计下的电池包热效仿真实验结果，如图5所示，电池体上部表层的温差大约在10℃左右，且末端模组侧边温度偏高。此现象主要归咎于末端模组密集排列，导致热量积聚，引起显著的温差。经由分段仿真与整体电池包的综合分析，确认了模组整体表面温差确实接近10℃。由于风流被引导至电池包的中心区域，中心的3P6S模组温度相对较低。而位于后端的3P16S/3P14S模组，由于高度差异导致热量在中间区域积聚，形成了高温区域。模组表面的流场分布经过导流后表现较为理想，但温度差异仍然显著。当前的散热设计存在不足，建议对结构进行调整或重新考虑优化风道设计的新方案。

3.2 电池包风道结构优化后热仿真

为了对比原先基础设计的仿真结果，需要探索和分析更新后的通风设计方案，以对照初始概念的性能表现。通过运用上盖的非标准形状，引导气流至3P6S模组的中心区域，随后借助两侧八字型导流板与前部约100毫米处的挡风板，构建出一个三角状的气流导向通道[5]。在高温模组上方增设挡板，促使部分气流形成旋涡并回返至电池包前端，借此实现整体温差的均衡调控。中间部位的特殊构造构筑了一条保护风道，而末端的大型模组顶部则全面封闭，进而生成了双侧风道。所有风道均采取保温措施，确保外界冷风导入后不会被前段箱体截留换热，最终在出口处仍能维持足够的空调冷风效力[6]。优化后的风道结构详情，请参见图6。

根据新风道设计，采用与先前一致的参数进行仿真计算，结果呈现于图7，展示了电池组内部的温度分布详情。从图中观察，最高温度集中于后端高模组两侧，达到约40℃；而最低温度出现在上部模组表面，约为25℃，整体上表面温差控制在15℃左右。由于热量在出口处汇聚，最大与最小温度之差保持在10℃。相比于之前的数据，优化后的风道，使得模组表面的温度产生大幅度的下降；同时对空气粒子轨迹图进行对比，优化后的风道最直观的效果是，在原本的高温区域中，空气粒子的分布更加均匀，并没有出现粒子分布差异过大的情况；这是由于改进后的风道减少了风的阻力，增强了散热性[7]。

4 总结

本文运用CFD仿真工具，对纯电动车辆的动力电池包展开了全面的热行为仿真研究。通过细致考察单体电池、电池模组以及导热铝板的热传导特性与温度分布，结合对不同构型电池包的热效仿真实验，进行了系统化的结构改良。目标在于确保电池包内每一电池单元均处于适宜的工作温度区间，同时促进电池及其模组间的温度均衡，以保障电池系统的高效稳定运作。

参考文献：

[1]刘江文，张轩.商用电动车电池模组热管理研究[J].时代汽车，2024（14）：120-122.

[2]王庆祥.煤矿锂电池运料车风冷式电池热管理建模与仿真[J].煤矿机械，2024，45（07）：187-190.

[3]耿察民，张天海，杨小龙，周月.考虑老化一致性的电池模组热管理方法研究[J].电源技术，2024，48（06）：1103-1108.

[4]徐文文，王彬.新能源汽车电池热管理控制系统设计及实现分析[J].时代汽车，2024（12）：122-124.

[5]王圣，李新，蒋维，李锦焙.锂离子电池液冷热管理系统研究进展[J].消防科学与技术，2024，43（05）：620-625.

[6]关蕾.电动车锂电池隔膜性能的研究分析[J].化学工程师，2022，36（11）：91-93.

[7]杨永贵.电动车动力锂电池系统强制风冷散热特性研究[J].内燃机与配件，2022（06）：191-193.