基于Star-CCM &AMEsim联合仿真的液冷电池包热管理（上）
本文主要描述电池热管理设计中的3D&1D 联合仿真分析方法：利用3D 稳态计算结果对1D 模型进行流场和温度场标定，并制定冷却／加热控制策略，然后对整体电池热管理系统进行瞬态工况仿真分析，快速预测热管理系统性能，并通过试验检验仿真结果的准确性。
1 模型简介
本文以某项目电池包为例，此电池包是一款新能源混合动力电池包。其平台电压为350V ，共包含8个电池模组，每个电池模组包含12 片电芯，共计96片电芯；单体电芯标称容量为51Ah ，系统总容量4896Ah ，系统总能量17kWh 。电池包采用箱体底部集成液冷系统的冷却方式，所有电池模组均放置于底部液冷板上，并通过导热硅胶垫进行热量传导。电池包结构布置如图1 所示。
2 基于Star‐CCM＋ 的3D 仿真
STAR‐CCM ＋ 是CD‐adapco 公司采用最先进的连续介质力学数值技术开发的新一代CFD 仿真软件，它将现代软件工程技术、最先进的连续介质力学数值技术和卓越的设计结合在一起，解决跨学科问题的综合工程解决方案。基于Star‐CCM ＋ 的3D 仿真的主要目的是获得电池包的温度场以及液冷板的流场特性，具体实施方法如下。
2 .1 模型简化与网格划分
本文以某项目电池包为例，模型主要考虑模组和液冷板，并根据各自几何模型适当进行简化。如图2所示，其中，模组部分在简化了电芯的同时，保留极耳、铜排、泡棉、绝缘膜和导热硅胶垫等细节，根据各个部分的几何特性和仿真需求差异采用了不同的网格参数设置，比如在铜排和导热硅胶垫等薄体几何区域采用拉伸薄体网格设置，在保证细节的同时也能降低网格数量；根据数模搭建液冷板仿真模型，抽取流体域并划分网格，根据实际需求在壁面生成边界层以更好的模拟真实流场。模型简化和网格划分都在Star‐CCM＋ 中进行，处理后的总体网格数量约1300 万。
2 .2 求解设置与边界条件
模型求解设置主要为：模型采用稳态计算模式；流场和温度场耦合仿真；湍流模型为k‐ε 模型；发热体形式为恒密度恒功率发热源；流体为恒密度不可压缩流体。
边界条件设置主要为：
② 环境温度设置为25 ℃ ；
② 初始温度为20 ℃ ；
③ 冷却液流量分别为qv1 、qv2 和qv3 ，其中，qv1 为5L／min ，qv2 为10L／min ，qv3 为15L／min ；冷却液温度设置为20 ℃ 。
2 .3 仿真及结果分析
设置完成后分别求解三种流量下的流场和温度场，并根据不同流量下的流阻绘制阻力特性曲线图用于环路系统水泵性能匹配。对于液冷电池包而言，并联支路的冷却液流量分配直接影响模组的温差，冷却液流动状态直接影响模组换热的强弱，进而影响电芯温度分布。因此，在进行热管理系统设计过程中需根据仿真结果，进行并联支路流量分配计算，对于支路流量差别较大（ ＞ 5％ ）的情况进行优化设计以消除随之带来的模组温差；并对流道中出现回流区、分离区或流通截面急剧变化等区域进行优化设计，以降低局部流阻。本例中，对流场和温度场仿真结果分析如下：
1） 流场仿真结果分析
设定环境温度为20 ℃ ，冷却液为50％ 乙二醇水溶液，进口冷却液温度为20 ℃ ，以冷却液流量qv1 、qv2和qv3 对冷却系统内流场进行仿真分析。当系统内冷却液流量为qv3 时，模拟水冷板内各支路流量分配情况如图3 所示。可以看出，各流道内冷却液流量分配相对均匀，两支路流量占比分别为52％ 和48％ ，其各支路流道内流量差为± 2％ （ ＜ 5％ ） ，满足系统支路流量分配设计要求；图4 为模拟冷却液流量为qv3 时水冷板底部截面冷却液流速分布示意图，由于液冷板采用铝挤成型加堵头搅拌摩擦焊的工艺，在流道转弯处形成直角转弯，导致此处冷却液流速变化较大，并且在转弯位置容易形成回流区，造成局部流阻较高，因此在直角转弯处流道存在优化空间，以降低因冷却液流动急剧变化对电芯温度分布的影响。
图5 为液冷系统最终绘制的流阻特性曲线图，随着系统内冷却液流量的增加，系统内压降呈快速递增趋势，当系统内冷却液流量为qv1 时，系统压降为2344Pa ，当系统内冷却液流量增加至qv2 和qv3 时，系统压降分别增加了221％ 和572％ ，为7. 5kPa 和15 .7kPa 。
2）温度场结果分析
通过仿真不同流量下电池系统的温度场，得到电池温度与流量的关系。图6 显示为假定环境温度为20 ℃ ，单体电芯发热量为恒定值5. 2W ，冷却液入口温度为20 ℃ 时，在qv1 、qv2 和qv3 三种流量下电池包内模组温度分布云图。可以看出，系统内冷却液流量不同时电池模组温度也不相同。冷却液流量越小，则在相同时间内冷却液可带走的模组热量越少，电池模组的温度相对越高。当冷却液流量为qv1 时，电池最高温度为36 ℃ ；当冷却液流量为qv3 时，电池最高温度为32 ℃ ，可见在一定程度上增大冷却液流量可以有效降低电池温度。为进一步了解单体电芯温度分布情况，对qv1 、qv2 和qv3 三种流量下单电芯温度分布情况进行模拟，得到温度分布云图如图7 所示。分析可知，单体电池温度分布呈从上至下递减趋势，靠近水冷板侧温度较低，远离水冷板一侧电池温度较高，不同流量下电池上下温差差别不大，一般为4 ℃ 左右。不同流量下单体电芯温度也不相同，冷却液流量越大，电芯温度越低，不同流量下电芯之间的最大温差为2. 1 ℃ 。
图8 所示为冷却液流量为qv3 情况下，8 个模组中电芯和铜排的平均温度。从温度分布看，各电芯间和铜排间温度分布相对均匀，不同模组之间电芯和铜排的温差均小于0. 5 ℃ ，可见液冷板均温性较好。其中，电芯的平均温度约为29. 8 ℃ ，铜排的平均温度高于电芯温度约2. 4 ℃ ，为32. 2 ℃ ，一方面是因为电芯整体热容较大，在热量传递过程中温升较小，而铜排由于其自身内阻产热且热容相对较小，因此温升较高；另一方面是因为电芯通过水冷板传导部分热量，导致其温度下降较快。当冷却液流量为qv3 时冷却液与冷板交界面换热系数分布如图9 所示，交界面上平均换热系数为584. 9 W／m2 （K ，进口处流道内冷却液流速相对较快，温度相对较低，其换热系数高于平均数，随着冷却液的持续流动和换热，冷却液温度逐渐升高，换热系数也随之降低。其中，在冷板底部流道转弯处由于其方形结构造成冷却液局部流速较快，其换热系数也高于平均数。
