新能源汽车动力电池PACK热管理热仿真案列分析
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了一个采用液冷热管理方式的动力电池系统案例，包括电池包PACK建模前处理、液冷系统流场仿真和PACK热场仿真等。通过ANSYS-SCDM软件对电池包PACK建模前处理，利用STAR-CCM+软件作为液冷系统流场仿真和PACK热场仿真的工具，实现了对动力电池在低温停车加热工况、常温行车、高温行车等工况PACK内部电池温度变化情况仿真，同时实现了对液冷系统内部压降和流量均匀性仿真，对冷板结构设计提出合理依据。
案列介绍 ( 工况描述 )
本案列电池系统采用液冷热管理方式的，如图1和图2所示是电池PACK系统前处理模型，主要包括：上下箱体，液冷板，导热垫、隔热护板、绝缘板、模组等结构，由4个模组成，每个模组由18个50Ah方形电芯组成。液冷系统采用两进两出的并联方式，箱体采用集成液冷系统设计，通过型材水冷板总成和框架总成通过FDS工艺和涂胶工艺进行固定和密封，该系统优势在于液冷系统的结构组件借用了箱体的结构组件使得电池系统更轻。
利用ANSYS-SCDM软件对电池包PACK建模前处理，以STAR-CCM+软件作为液冷系统流场仿真和PACK热场仿真的工具，建立热流场仿真分析模型，最终实现了对动力电池在低温停车加热工况，常温行车、高温行车等工况PACK内部电池温度变化情况仿真，同时实现了对液冷系统内部压降和流量均匀性仿真，对冷板结构设计提出合理依据。
模型简化
热管理设计
1、电池温度的准确测量和监控；
2、电池组温度过高时的有效散热和通风；
3、低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；
图5 热管理系统设计结构图
仿真分析
锂电池Pack设计中往往会借助热流体仿真分析来辅助工程师完成pack热管理系统设计，在热管理系统设计阶段，可对Pack、模组或电池进行热场仿真分析，根据仿真结果快速地选择出冷却、加热和保温方式；在冷却子系统设计阶段，可以对Pack、模组或电池（带冷却子系统）进行热场和流场仿真分析，根据仿真结果确定冷却通道设计、冷却介质、冷却入口温度和流量以及风扇或泵的参数等。
借助热流体仿真分析工具，大部分的Pack热管理设计工作和部分测试工作都可以在电脑上完成。大量的设计、制造、测试工作可以被省略，Pack设计的成本也会大幅度下降。下面基于案例的方式，介绍一下动力电池热管理仿真分析的基本流程和技巧。该案列液冷系统的设计目标为：在指定工况下运行，电池系统内部电芯的最大温度小于50℃；电芯之间的温差小于等于5℃；液冷系统的压降小于10kPa，依据下图*电芯单体的产热数据，计算在1c满放的情况下电池系统的产热功率。
设置进口两相材料的体积分数：cooling water：air=1：0
设置出口两相材料的体积分数cooling water：air=0：1
定义进口质量流量值：（4L/min）
图11为在常温高速行车工况电池温度随着时间变化的温度云图，该工况模拟了一般常温条件下，驾驶员在高速上高速行车。初始环境温度为20℃，当监测点最低温度大于38℃开启冷却系统，冷却液单个进口流量4L/min，入口温度22℃。图14为常温行车电芯监测点温度变化曲线，总个工况分为两个工作过程，分别为0-3368S液冷系统未开启的第Ⅰ阶段和3369s-3600s液冷系统开启的第Ⅱ阶段。
在第Ⅰ阶段，电芯温度随着放电进行持续升高，在第3368s最低温38℃，温差3.1℃，满足系统设计目标5℃；在第Ⅱ阶段的第3369s开始液冷系统进行冷却，但温度还继续升高，一方面由于热惯性的存在，另一方面，由于电芯放电末端发热量倍增，导致开始冷系统后电芯温度继续上升主要因素。到了3548s由于冷却系统作用电芯的温度出现下降。整个过程最高温度42.7℃，最大温差3.2℃，满足设计目标。
图11 常温高速行车电芯温度变化云图（动图）
图12常温高速行车电芯温度变化曲线
图13为在低温工况电池系统随着时间变化的温度云图，该工况模拟了新能源汽车在冬季寒冷得季节放置车 库一夜后，启动汽车把电池加热到能工作温度并进行高速行驶工况。初始环境温度为-20℃，当监测点最低温度不小于5℃时关闭液冷系统，冷却液单个进口流量4L/min，入口温度30℃。整个仿真过程包括低温加热和1c放电工况，在低温加热工况下，电芯监测点最高温度10.9℃，最大温差6℃，液冷系统加热速率为1.6℃/min；1c放电工况，检测点最高温度30℃，放电末端温差在3.7℃内。温
差整体先增大后减小，加热拉大电芯温差，放电过程温差减小，主要是由于放电过程中每个电芯发热量一样，发热较电芯底部加热热量更加均匀。
图13低温加热电芯温度变化云图
图14 低温加热电芯温度变化曲线
以上是笔者关于新能源汽车动力电池液冷系统热流体仿真分析，希望对大家有所帮助，如有不当，欢迎批评指正。
推荐课程
