基于STAR-CCM 的电动车液冷动力电池

1 模型简介
      本文以某款电动车的低配电池包为计算模型，该电池包共包含22 个电池模组。该电池包采用的冷却方式为箱体底部集成液冷系统，将所有液冷板放置于电池模组下部，通过导热硅胶进行热传导。模组内部结构复杂，为了提高计算效率，不考虑电池内部结构，假设电池内部材料物理属性相同，在相同方向上导热系数相同。
2 液冷流场仿真
2.1 模型与求解设置
      在进行温度场仿真之前，首先对液冷板流场进行仿真及优化，提取尼龙管、液冷板的内表面，建立流场仿真模型，进口与出口延长200mm，在STAR-CCM 软件中进行体网格划分，采用多面体网格模型，生成两层边界层，边界层总厚度为0.4mm，体网格数为1820万，如图1，进口为流量入口，流量为18L/min，出口为压力出口，相对压力为零。冷却介质为50%的乙二醇水溶液。原方案汇流管径由左往右分别为：8mm、9mm、10mm、9mm、10mm。

2.2 仿真结果分析

       对液冷板流场进行仿真求解，读取液冷板每根口琴管流量大小，计算流量最小值与最大值的偏差，结果见表1，0表示该口琴管流量最大，原方案的最大流量偏差为36%，不满足10%的目标值。靠近入口的汇流管流量最大，因减小靠近出口的汇流管管径。为了使得口琴管间流量分配均匀，优化各汇流管的管径，具体方案如表2。

      优化后的计算结果见表3，通过调整汇流管管径，方案3中各口琴管间最大的流量偏差为9%，满足各支路流量分配的设计要求。
 

3 电池包温度场仿真
3.1 模型与求解设置
       建立电池包温度场仿真模型，简化电池包内部结构，省略对温度场影响很小的螺栓、安装孔、线束等零件，模组采用简化模型，液冷板采用方案3 的回流管管径尺寸，如图4所示。在STAR-CCM 软件中进行体网格划分，冷却管路为多面体网格，尼龙管、导热垫与液冷板为拉伸体网格，空气域及其它零部件为切割体网格，冷却管路生成两层，其它计算域不设置边界层，体网格数为2210 万。模组芯体等效模型的热物性参数：密度为2200kg· m-3，比热容为950J·kg-1·K-1，X 与Y 向导热率为22.7W·m-1·K-1， Z 向导热率为3.82W·m-1·K-1。其它电池包零件材料热物性参数见表4
 

       计算模型采用稳态计算模式，湍流模型为k-ε 模型，流体为恒密度不可压缩流体。设置环境温度为25℃，冷却液温度为15℃，22 个模组总发热量为2.2kW，为了简化计算模型，将模组设置为体热源，总发热量均布在每个电芯内部。
3.2 仿真结果分析
      根据上述计算模型及热物性参数的设置，对电池包温度场进行稳态流动传热仿真，模组温度云图如图5 所示。模组下表面靠近液冷板，温度最低，最大温度点在上表面中心，这是由于空气自然对流传热的作用，使得模组周围温度低于中心温度。对比不同模组的最高温度可以看出，模组最高温度的最小值出现在图3 中左下角的模组，即距离冷却液入口最近的模组，最小值为45.4℃，而模组最高温度的最大值出现在图中靠近冷却液出口一侧中间位置的模组，最大值为47.6℃，这是由于流入口琴管4 的冷却液流量最小。由此得出，22 个模组的温度偏差为2.2℃，温度分布均匀，满足最大温差为3℃的目标值，保证了电池系统的安全性以及电动汽车足够的续航里程。
 

      本文建立了动力电池包的液冷板仿真模型与整包温度场模型，采用STAR-CCM 软件进行了计算流体力学数值仿真分析，通过优化液冷板的回流管管径，使得液冷板的流量偏差达到目标值，为电池包的设计提供了可靠的数据支持。温度场仿真结果证实了流量分布均匀的液冷板可以有效地满足温度一致性，最大温差为3℃。电池包的液冷板流场仿真与整包温度场对动力电池包的热管理具有重要指导意义。