STAR-CCM+动力电池制冷剂直冷设计与仿真入门攻略

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：近年来，随着能源和环境问题日趋严峻，人们对于环境保护与节能减排工作的关注度逐渐提高。在交通领域，新能源电动汽车完全通过电力来进行驱动，在行驶过程中可以真正地做到零污染、零排放，已成为政府工作关注的焦点和汽车企业研究开发的重点。

锂离子电池不仅作为电动汽车的动力之源，还为其他辅助设备提供能量，空调等负荷的改变会影响到电池续驶里程，因此锂电池工作性能对于整车的工作状况起到决定性的作用。一般锂离子电池温度控制在20~40 ℃以保证其能稳定运行，温度太高会使电池在工作中发生自燃，引发安全事故，温度过低会使电池的续航能力大幅降低，影响电池的使用。

因此，动力电池热管理系统的设计与优化对于提高动力电池系统的性能和效率，保障电动汽车的安全性等都有非常重要的现实意义。

一、什么是动力电池直冷

动力电池热管理系统的冷却方法包括空气冷却、液体冷却、相变材料（Phase Change Material，PCM）冷却、热管冷却和直冷冷却等。其中直冷系统与其他的冷却系统相比具有较为明显的优点，它的散热效率高，结构紧凑，且不存在漏液风险。整体来看，直冷系统在未来有很大的发展前景。

直冷冷却利用了PCM 相变制冷的工作原理，与PCM冷却不同的是，PCM 冷却是被动式制冷，其主要利用的是PCM 的相变潜热；而直冷冷却是主动式制冷，其主要利用的是制冷剂的相变潜热。直冷系统包含压缩机、蒸发器、冷凝器以及节流装置等组成部件，冷板即为直冷系统的蒸发器，一般冷板放置在电池模组的底部，制冷剂在流经直冷板过程中相变吸热，将电池所产生的热量带离系统。

一般而言，直冷系统的散热效率是液冷系统的3~4 倍，但目前直冷系统还处于研发阶段，并未形成广泛的应用。目前仅有宝马、奔驰等企业采用直冷式的热管理系统对动力电池进行散热。

制冷剂利用相变（液态到气态）传热直接吸收电池产生的热量，制冷剂直接冷却技术的冷却板通常与空调系统的内部蒸发器并联，并通过前置节流阀( 如电子膨胀阀) 调节制冷剂流量和控制冷却温度，直冷系统通常由电池直冷板、压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀组成，电池直冷系统与空调系统共用一个制冷循环，不仅简化了结构，还提高了冷却效率。

制冷剂直接冷却系统具有散热效率高和结构简单的优点，还能保持良好的温度控制和均温性。与液冷系统相比，制冷剂的导电性较低，从而避免了电池短路导致冷却液泄漏的危险。在电动汽车发生碰撞的情况下，即使电池严重损坏，制冷剂泄漏也不会引起电池燃烧的风险。电池直冷板在系统中起蒸发器和冷凝器的作用，其内部流阻均匀性、分配器设计等因素都会影响电池的温度均匀性，应该优化直冷板结构从而提升直冷系统的综合性能。直冷系统具有较高的传热能力，且相对容易集成到现有的车辆空调系统中，其冷却温度能够低于环境温度，但存在成本高且难以实现电池加热等问题。

国内如宁德时代和复旦大学等也已经完成了对直冷系统的技术储备，例如蜂窝型单面吹胀式电池冷板，充分利用流道内制冷剂的高沸腾传热潜热对动力电池进行散热，最大发热量为6 kW 时，系统能在150 s 内响应，可用于电动汽车动力电池的快充领域。同时先进的优化方法也在电池冷却系统中应用，例如采用拓扑优化方法对矩形通道冷板（Rectangular-Channel Cold Plate，RCP）和蛇形通道冷板（Serpentine-Channel Cold Plate，SCP）优化得到TCP-RCP 和TCP-SCP，指出拓扑优化能减小流动阻力，提高传热系数，电池最高温度分别比RCP 和SCP 降低了0.27%和1.08%，温差分别降低了19.50%和41.88%。直冷系统同样可以用于车舱制冷，如可以通过调整压缩机转速、电子膨胀阀开度使电池热管理和车舱制冷效果处于较为理想的状态。总体而言，直冷散热系统相关研究较少，但在近年得到了很多关注，值得更深入的研究。

二、直冷仿真方法

在直冷系统中蒸发器和冷凝器内工质的流动及相变传热极其复杂，过程中伴随着流型的变化。沿程中不同的流型决定了不同的传热效果。工质流动所产生的压降则影响器件的温度均匀性，是换热器设计的关键因素，相对于单相流来说，两相流一方面会受汽液相之间的界面分布、界面力、质量动量传递的影响，另一方面也会受压力、粘滞力及惯性力等因素的影响，可以知道两相流的流动状态是很复杂的。所以在最近几年的研究中，众多学者分别通过数模模型、仿真或实验的方式对制冷剂沸腾传热、压降梯度进行研究。

1、制冷剂多相流仿真方法

多相流体指同一系统（其中，相之间存在不同交界面）中的多个相的流体和相互作用。术语“相”通常指物质的热力学状态：固体、液体或气体。多相流体与多组分流体不同。在多组分流体中，不同组分在分子级别混合。这些组分具有相同的对流速度。在多相流体中，不同的相在宏观尺度上混合。这些相具有不同的对流速度。很多流体是多相多组分流体。多相流体可分为两类：

a) 离散流体，例如气泡、液滴和颗粒流体

b) 分层流体，例如自由表面流或管道中的环形液膜流体。

如果相占用断开的空间区域，则将其视为离散相，否则视为连续相。多相流具有不同模型来满足这两个流体类别的要求：

1)拉格朗日多相模型：此模型将对离散相的代表性粒子束穿过系统时的运动方程进行求解。它适用于主要由携带相对较小体积的离散颗粒、液滴或气泡的单一连续相组成的系统。它适用于离散相与物理边界的相互作用至关重要的情况。

2)液膜模型：此模型使用边界层近似值以及通过液膜深度的假定速度和温度分布来预测壁膜的动态特征。液膜传输使用横跨形成液膜的固体壁面表面的薄壳进行预测。

3)离散元模型 (DEM)：此模型是拉格朗日多相模型的延伸，但它将对各个颗粒（而不是代表性粒子束）进行建模，且明确考虑了颗粒间接触力。

4)混合多相流 (MMP) 模型：此模型是一种简化的多相流模型，可用于对悬浮液多相流进行建模。在此模型中，通过假设悬浮液是均匀的单相系统来减少计算量。

5) 欧拉多相流 (EMP) 模型：此模型可对每个相的质量、动量和能量的守恒方程进行求解。相间相互作用模型旨在定义一个相在与另一个相之间的交界面面积上对该相施加的影响。

6) 离散多相流 (DMP) 模型：此模型以欧拉方式模拟离散相。离散多相流模型将拉格朗日多相流 (LMP) 模型和欧拉多相流 (EMP) 模型的多个方面结合使用。在同一个模拟中可以激活 DMP 模型和流体体积 (VOF) 模型。

7) 流体体积 (VOF) 模型：此模型用于包含两个或更多不混溶液相的系统，其中每个相在系统内构成较大的结构（如典型的自由表面流）。此方法可捕捉液相之间的交界面的移动，且经常用于海洋应用。

从数学角度而言，流体体积模型和欧拉多相流模型均在其公式中使用欧拉（而非拉格朗日）架构。因此，为这两种方法设置模拟需要使用不同的欧拉相。

2、制冷剂相变仿真方法

制冷剂在直冷板中，受热产生沸腾，沸腾是液体的快速汽化。当液体加热到沸点（液体的饱和温度）时，通常发生沸腾。其饱和蒸气压会变为等于或大于周围液体的压力。沸腾会在远离表面的汽体-液体交界面上、在预先存在蒸气孔或气孔的固体表面上和在因密度波动而产生的大量液体中形成蒸气。

沸腾是液体的快速汽化，当液体加热到沸点（液体的饱和温度）时，通常发生沸腾。其饱和蒸气压会变为等于或大于周围液体的压力。壁面沸腾是液体与温度始终高于液体饱和温度的壁面接触时，沸腾最终发生在该液体-固体交界面处。在这种情况下，在三个特征阶段发生沸腾：

泡核沸腾涉及汽泡（源自表面上的离散点）在受热面上的生成和增长。表面温度只是略高于液体的饱和温度。通常，成核点数会随着表面温度的增加而增加。增加表面粗糙度可能会生成更多成核点，而非常平滑的表面可能会导致过热。
当超过临界热通量且连续蒸汽膜覆盖受热面时，会发生液膜沸腾。蒸汽层的导热率较低，因此蒸汽层通常与表面“隔离”。
在介于泡核沸腾中可达到的最大温度和液膜沸腾中可达到的最小温度之间的表面温度下，会发生过渡沸腾。它是一种包含两种元素的不稳定的中间沸腾形式。
对沸腾的建模有两个不同的方法可用于沸腾建模，即：Rohsenow 沸腾、液膜沸腾和过渡沸腾。
Rohsenow 沸腾：使用 Rohsenow 泡核沸腾模型，该模型适用于在相对较低的固体温度下沸腾。液膜沸腾模型还集成至 STAR-CCM 中的 Rohsenow 模型，方便其与高固体温度下的沸腾结合使用。
液膜沸腾：在足够高的壁面温度下，会在加热壁面上创建蒸汽层。因此，液体不再与加热壁面接触。汽液交界面（而不是加热壁面）处会发生蒸发。在液体和加热壁面之间创建的蒸汽膜充当绝缘体，会大幅减慢热传递过程。此过程称为液膜沸腾。
过渡沸腾模型提供泡核和过渡沸腾表达式，是一种中间沸腾形式。

三、R134a制冷剂特点

R134a是一种常用的制冷剂，具有零臭氧破坏潜能，R134a是一种零臭氧破坏潜能的制冷剂，不会对臭氧层造成破坏，对环境的影响较小。较低的全球变暖潜能，R134a的全球变暖潜能（GWP）相对较低，是一种相对环保的制冷剂。良好的热力性能，R134a具有较高的热力性能，蒸发温度范围广，可在较低温度下工作，适用于各种制冷设备和空调系统。同时，它的制冷效率较高，能够快速降低温度并保持稳定的制冷效果。低毒性，R134a是一种低毒的制冷剂，对人体无明显的刺激和危害。稳定性和兼容性，R134a具有较好的化学稳定性和兼容性，不易分解或与其他材料发生反应。高效能，R134a具有较高的热传导性能，能够有效地传递热量。低压力，相比于其他制冷剂，R134a的工作压力较低。安全性，R134a是一种相对安全的制冷剂，具有较高的燃点和爆炸限制。

在直冷仿真中，关注的是制冷剂的物性特点，R134a的饱和温度和饱和压力的关系，可以通过制冷剂的特性曲线来描述。这条曲线表示了不同压力与温度条件下制冷剂的沸点。在制冷剂的特性曲线上，饱和温度对应于特定的饱和压力。当制冷剂处于饱和状态时，它处于气液两相平衡，即液态和气态制冷剂同时存在。具体来说，当温度保持恒定，提高压力时，气态制冷剂会冷凝成液体；反之，当压力保持恒定，降低温度时，气态制冷剂也会冷凝成液体。这表明，在制冷剂的特性曲线上，饱和温度随着饱和压力的增加而升高，反之亦然。因此，在设计和操作制冷系统时，需要控制制冷剂的饱和温度和饱和压力，以确保系统的高效、安全运行。同时，也需要根据具体的应用场景和要求，选择合适的制冷剂类型和操作条件。

四、直冷仿真方法验证

直冷仿真是一个复杂的仿真过程，需要对所采用的仿真方法进行验证，对此，采用文献《工质在微小圆管内流动沸腾换热的研究》来验证直冷仿真方法。实验采用液体工质开放直流式系统，实验装置参见图。

图为换热实验测试段示意图。本实验段采用内径为1.127，外径为2.012的光滑表面不锈钢圆管有效换热长度为860mm。在此有效长度上由于管径较小，液体受重力的影响也比较小，因此管截面上气液分布的不均匀性可以忽略不计。在管壁的下表面直线布置了共19对热电偶用于测量壁温的变化，热电偶间距布置除最后5对之间是4 0mm以外，其它都是50mm。测量的温度就是实验段内壁面的温度。

采用多相流相变仿真方法对实验进行了复现，如图，仿真结果表明：多相流相变温度计算误差为0.5℃，计算方法可用于动力电池直冷仿真。

五、直冷板设计

动力电池直冷板的设计方法涉及到多个方面，具有以下要求；接触面积最大化：直冷板的设计需要确保与电芯保持最大的接触面积，以便更有效地进行热交换。这通常通过采用类大平板方案实现，如海豚的直冷冷板设计，其中冷板与电芯之间采用导热结构胶进行接触。

制冷剂进出口设计：直冷板的制冷剂进出口位于同一段，设计上类似于汉CTP。这种设计可以确保制冷剂在冷板内均匀分布，提高冷却效率。冷却管道布置：冷板内部通常有多个冷却管道，如海豚的冷板设计中有8个冷却管道，其中4个为进水管道，4个为出水管道，这些管道交叉布置。每个管道采用口琴管技术方案，并设计有多个流道，以提高冷却效果。材料选择：直冷板的材料选择对于其性能和寿命至关重要。需要选择具有良好导热性、耐腐蚀性和机械强度的材料，如铝合金、不锈钢等。结构强度：直冷板需要承受一定的压力和振动，因此其结构强度必须足够。设计时需要考虑冷板的厚度、加强筋的布局等因素，以确保其结构强度和稳定性。制冷剂选择：直冷板的冷却效果与所选制冷剂的性能密切相关。需要选择具有高传热性、低粘度、化学稳定性好的制冷剂，如R134a、R410a等。在设计动力电池直冷板时，还需要考虑系统的整体性能、成本、可靠性等因素。因此，设计过程需要进行多次迭代和优化，以确保最终产品能够满足实际需求。

六、动力电池直冷仿真步骤

动力电池直冷仿真的步骤主要可以概括为以下几个部分：

1、建立仿真模型

首先，需要建立动力电池直冷系统的仿真模型。这通常涉及到将电芯切割为多个热节点，以考虑电芯内部粗略的温度差异。此外，仿真模型还需要包括电池包模型，以模拟不同充电倍率下的电芯温度分布。

2、划分网格

网格单元的尺寸大小会直接影响模型的计算精度与计算效率。一般来说，尺寸越小，模型精度越高，但计算效率会降低。因此，在网格划分之前，需要先确定合适的网格单元尺寸。例如，动力电池的箱盖、下箱体部件可以采用较大的单元尺寸（如10mm），而单体电池（壳体以及电池内芯）、固定支架、冷板等内部构件则需要采用较小的单元尺寸（如5mm）。

3、设置边界条件

在仿真模型中，需要设置合适的边界条件。例如，给定环境温度、冷凝器进风风速和进风温度等。这些边界条件将影响仿真结果的准确性。

4、运行仿真

在设置好仿真模型和边界条件后，可以开始运行仿真。通过仿真，可以观察和分析电池在不同充电倍率下的温度分布，以及不同目标过热度对结果的影响。