导读：自《流体工程师自学STAR-CCM+仿真的学习路线》推出以来，承蒙用户厚爱。我计划结合工业品做STAR-CCM+仿真行业应用教程，希望能够帮助各行业研发工程师掌握STAR-CCM+仿真行业应用能力。其中《动力电池液冷系统热管理仿真27讲》是我原创首发的仿真视频教程。

一、动力电池结构

动力电池一般指锂离子电池，锂离子电池是指在充放电时锂离子通过正、负极之间来回移动，主要组成部分：正极和负极，隔膜，电解液，集流体(正极集流体和负极集流体)。

锂离子电池的正极材料由复合材料制成，一般被定义为锂离子电池的名称。正极材料主要由四种类型：

4.具有橄榄石结构的金属，如磷酸铁锂(LiFePO4/LFP)

锂电池负极材料通常为碳和非碳等类型。其中碳负极材料具有化学稳定性、良好导电和离子导体，且成本较低。

隔膜是锂离子电池利用微孔状隔膜来防止负极和正极之间的物理接触，同时允许离子自由流动。隔膜材料的存在会对电池性能产生不利影响，如增加电池的内阻和密度。目前市场所销售的液体电解质电池是利用微孔聚烯烃材料，如聚乙烯或聚丙烯。孔径为0.03～0.1𝜇𝑚，孔隙率为30～50%。聚乙烯材料的低熔点允许它们用作热熔断体。当温度上升到聚合物软化点时，隔膜开始收缩，孔径减小，进而影响Li 离子移动，并降低其反应速率。当温度相继升高时，隔膜能够完全闭孔阻断反应，且低于电池的热失控阈值。对于目前使用的聚乙烯-聚丙烯双层隔膜，熔融终止点发生在130℃左右，熔化发生在165℃左右。

电解液充当锂离子电池的“血液”，根据电池的类型，可以是液体或糊状物质。无论是何种类型的电池，其电解质具有相同用途：在负极和正极之间传输带正电的锂离子。工作过程中，电解液也被视为电池中惰性成分，不应发生电池的净化学变化，在法拉第过程中都应发生在电极内部。理想的电解液应满足如下要求：

1)良好的离子导体和电子绝缘体，使得锂离子运输方便，且自放电可保持在最低限度；

2)较宽的电化学窗口，在负极和正极的工作电位范围内不会发生电解液降解；

3)热稳定性好，对于液态电解液，熔点和沸点都应在工作温度之上；

4) 低毒性，并成功地满足其他环境危害有限的措施；

5)基于可持续化学，元素丰富且合成过程中影响较小。

集流体是锂离子电池中的重要组成部分，常用泡沫铝集流体不仅能承载活性物质，而且还可以将电极活性物质产生的电流汇集并输出，有利于降低锂离子电池的内阻，提高电池的库伦效率、倍率性能和循环工作的稳定性。锂离子电池集流体的材料应满足如下要求：

1)电化学，在电池充电和放电期间对氧化和还原条件下具有稳定电化学特性；

2)导电性，高导电性有助于电池放电/充电过程中化学能/电能向热能的转化率低，从而提高电池的能源效率和容量，避免高温运行的风险；

3)机械强度，集流体可用作电极机械支撑，合适机械强度的集流体有助于电池工作循环过程中保持电极活性材料与集流体的有机结合；

4)可持续性，集流体的材料可持续使用对于电池行业的发展至关重要。

二、动力电池产热机理

当锂离子电池接入回路(接入负载或者外部电源)中时，就会出现一系列的物理化学变化。以锂离子放电过程为例，来揭示锂离子电池内部的 动力学过程。充电过程与放电过程的原理是一样的，区别只是电荷运动的方向相反。当锂离子电池接入负载时，电极电压就会越过平衡电压，开路情况下的平衡状态被打破，负极和正极分别发生电化学反应：电化学反应会使Li 从负极活性颗粒中脱出，并嵌入正极活性颗粒中，这个过 程称为电化学过程。锂离子电池内部的动力学过程可以用5个数学方程进行描述：

5）液相电势过程，描述电解液的电势值。

在上述的电化学模型中，温度是影响电池性能的一个参数，锂离子电池的电化学参数对其发热和温升的影响。

锂离子电池的产热过程可以由下式来表述，其中Q为总产热量.

产热分为：不可逆热、可逆热、 电子传输热、离子传输热、 接触热阻产热

1）不可逆热

锂离子电池在使用过程中，需要消耗一定的能量用于驱动电化学反应，这部分能量最终会变成电池的产热，这部分热称为不可逆热。不可逆热由锂离子电池的电流和过电势决定。

2）可逆热

锂离子电池的电化学反应伴随着锂离子在活性颗粒中脱嵌，这种脱嵌伴随着活性颗粒晶粒结构的改变，这种晶粒结构的改变自然会出现放热和吸热现象，这部分热量称为可逆热。

3）电子传输热

自由电子在导电体中定向运动形成电流并传递电能，同时也会产热一定的热量，这部分热量称为电子传输热。

4）离子传输热

锂离子在电解液中扩散、迁移和对流时会传递电能，同时也会产生一定的热量，这部分热量称为离子传输热。

5）接触热阻产热

锂离子电池内部存在着很多的接触，电流流过这些接触时会产生一部分的热量，相对于其他产热来说，接触热阻产热比较小，一般可以忽略不计。

锂离子电池使用过程中产生的热量，为锂离子电池的温升提供了热源，下式锂离子电池的温升过程。

式中，T为电池的温度；Q为热源；λAΔT为电池内部的导热过程。

上述的电化学反应和热力学过程不是孤立存在的，而是相互作用的。电化学反应为热力学过程提供热源，热力学过程对这些热源进行计算，更新温度并作为参数输入电化学反应。

三、什么是动力电池热管理

锂离子动力电池对温度的敏感性，温度高低对于锂离子动力电池的整体性能,包括电池的容量、功率、充放电效率、安全性和寿命等都有着非常显著的影响。锂离子动力电池对温度的敏感性主要源于其材料物化性质的温度敏感性。温度会直接影响电极材料的活性和导电率、锂离子在电极上的嵌入和脱嵌、隔膜的锂离子透过性等,进而影响到电池内部的电化学反应,其外部表现为动力电池的温度敏感性。

锂电池结构

由于动力电池具有适宜的工作温度范围,在此范围内随着温度增加其内部活性物质的活性越大,电池的充放电电压和容量随之增大,电池的内阻相应减小,动力电池的充放电效率也相应增加。当温度超过一定范围,温度过高则会加快电池内部副反应的进行,这些副反应消耗锂离子、溶剂以及电解液等,导致电池性能衰减。当电池持续工作在45℃以上时,其循环寿命明显降低,这种情况在高倍率充放电时更为明显。因此,如果长时间地工作在高温环境下,动力电池的寿命就会明显缩短,其性能也会大大降低,甚至引发安全事故。温度过低则电池内部活性物质的活性明显降低,其内阻、极化电压增加,充放电功率和容量均会显著降低,甚至引起电池容量不可逆衰减,并埋下安全隐患。尤其是在充电过程中,在充电设备外加电场作用下,锂离子从正极材料中脱出进入电解液并向负极移动,依次进入石墨构成的负极材料中,并形成LiC化合物。如果温度较低,充电速度过快,会使得锂离子来不及进入负极形成LiC化合物,则靠近负极的锂离子就会俘获电子而成为金属锂,并聚集形成锂枝晶,锂枝晶长大则可能刺破隔膜形成短路。

由于动力电池系统所处环境及自身温度直接影响其正常运行、循环寿命、充电可接受性、输出功率、可用能量、安全性和可靠性，为了使电池系统达到最佳的性能和寿命，需要通过引入热管理系统对电池进行低温加热、高温散热 以及保温管理，限制电池的温升以及温差，从而实现电池组温度均匀化，保证电 池工作在适宜的温度范围内，降低电池性能衰减速度并消除相关的潜在安全风险。通过热管理系统对温度进行调节和控制，使动力电池在运行过程中始终保持在合适的温度范围，对提高动力电池系统的性能和效率，延长其使用寿命，降低电动 车辆的成本，保障电动车辆的安全使用等方面都有重要的现实意义。

动力电池热管理系统

四、动力电池如何进行液冷散热

五、动力电池的冷却系统

动力电池常用的冷却方式主要有四种：自然冷却、强制风冷、液冷和制冷剂直接冷却（简称直冷）。其中，自然冷却、强制风冷和液冷这三种冷却方式都是利用冷却工 质流过热功耗表面时发生的对流换热将热量带走，过程中冷却工质没有发生相变。直冷则是冷却工质在冷板中发生相变，并利用相变吸热带走大量的热量。

四种冷却方式的冷却效率的对比如表，液冷和直冷的冷却效率比自然冷却和强制风冷高出几个量级。此外，除了冷却效率之外，还需要综合考虑冷却均匀性、结构设计、成本和能耗等因素。

1）自然冷却系统

自然冷却是利用空气的自然对流换热，将Pack、模组或电池单体的热量传递到周围空气中，从而在一定程度上降低电池单体的温度。由于空气的导热系数较低，且自然对流的流动也较弱，因此自然冷却的散热效率一般比较低。此外，当电池系统周围不存在其他热源时，温差也可以控制在较小的范围内。自然冷却方式虽然冷却效率较低，但这种方式的成本较低、所占的空间较小以及 电池单体间的温差较小（无外部热源时）。在电池系统运行工况缓和、成本控制较高以及留给热管理系统的空间十分有限的情况，自然冷却方式是一种可取的选择。

2）强制风冷系统

强制风冷是通过风扇将空气引入箱体内部，空气在风扇的作用下，以一定的流速掠过模组或者电芯的外表面，并将电芯产生的热量散入到环境空气中。强制风冷方式常见于早期的纯电动乘用车、纯电动大巴以及储能系统。根据空气的流动形式，强制风冷系统的风道可以分为：串行方式和并行方式。串行方式的优点是结构简单，缺点是散热均匀性差，且系统流动阻力比较大；并行方式的散热均匀性更好一些，且流动阻力比较小，但并行方式的结构较为复杂，占据的空间也更大。电芯间隙冷却情况下串行方式的原理图，在这种方式下，冷风逐一掠过电芯并将电芯的热量带走， 同时冷风每掠过一个电芯自身的温度就会升高，因此这种方式会使电芯间的温差 增大，此外系统的流动阻力也比较大；

电芯间隙冷却情况下 的并行方式的原理图，在这种冷却方式下，冷风并行掠过电芯并将电芯的热量带 走，因此电芯间的温差得到了控制，且系统的流动阻力比较小。

3）液冷系统

液冷方式主要把冷却液作为冷却介质为电池系统降温。常用的纯电动汽车热管理液冷系统主要包括冷凝器、压缩机、水泵、热交换器等部件。首先，冷却液流经冷凝器、压缩机后被强制降温，然后低温冷却液经过电池系统内部冷却流道与电芯发生热交换以后，再流经热交换器与低温制冷剂进行热交换，从而将电池产生的热量带出电池系统，降低电池温度。液冷比风冷的散热效率高，能够满足大功率充放电的散热需求，同时液冷散热更均匀，电芯温差小，温度一致性高，能够大幅提高电池系统稳定性和寿命。但是，液冷系统结构较风冷系统复杂，液冷系统运转时会消耗电池本身的能量，且相对风冷系统成本也略有增加。

六、认识电池包的液冷系统

(二)液冷系统设计流程

液冷系统设计过程中主要参数，都可以预先通过工具进行仿真分析和优化设计，然后再通过测试进行验证，从而节省成本和周期。在确定液冷系统的设计目标之后，通过CFD工具预先验证液冷系统的传热路径设计、液冷回路设计、液冷板设计、冷却液入口温度设定、冷却液流量设定以及液冷策略设计等参数是否合理。

以某乘用车液冷系统的设计为例，对液冷系统的设计流程进行简单的 介绍。 图为某电池系统的结构图，电池系统由3行12列并排的36个模组 组成，每个模组由12个方形电芯组成。电池系统在夏天使用时环境温度为40°C, 运行工况为1C满放，液冷系统所使用的冷却液为乙二醇溶液（50%,体积分数）, 冷却液流量为15L/min,冷却液入口温度为22 °C 。

液冷系统的设计目标为：在运行指定工况时，电池系统内部电芯的最大温升小于等于10°C；电芯之间的最大温差小于等于5°C；液冷系统的压降小于等于30 kPa。在设计之初，根据 产热分析计算出1C满放工况下电池系统的产热功率。然后根据模组排布的特点，对液冷回路进行设计，初步将本系统的液冷回路设计为3S4P,如图所示

最后，对液冷板进行设计，初步将本系统的液冷板的宽度设计为80 mm,厚度设计为5mm。管路分流和汇流的地方采用三通阀连接，硬管与软管之间的连接采用胀接工艺，液冷板与软管之间的连接采用SAE标准快插接头，液冷系统与箱体的密封采用法兰连接。

图分别是通过CFD仿真工具计算出来的液冷系统的压力分布和速度分布，从仿真结果来看，系统的压降为26kPa, 4个并联回路之间的冷却液流量之差小于10%,满足流场设计的目标。

图为电池系统的热仿真分析，从仿真结果来看，在运行指定工况时，电芯的最大温升为0.4°C,电芯之间的最大温差为2.0 °C,满足热设计目标。

 

七、动力电池液冷系统热管理仿真

《STAR-CCM 新能源汽车动力电池热失控仿真13讲》第一个模组失控，引发第二个模组失控，评估现有模组之间的隔热是否能阻止失控模组往正常模组的传热。大家可点击查看STAR-CCM新能源汽车动力电池热失控仿真讲解（附视频教程）

《基于Star-CCM 动力电池液冷系统热管理仿真27讲》是笔者原创的视频教程，本课程包括动力电池热管理理论、设计流程和仿真分析内容，

课程详细介绍了动力电池结构、产热原理，对动力电池设计流程进行了详细的介绍，对仿真过程包括几何简化、修复、多类型网格生成、宏命令创建监测点和报告，后处理动画制作进行了详细介绍，并介绍了常温1C放电、高温1C放电计算分析、高温快充计算分析、低温加热计算分析、保温性能计算分析等多工况仿真。

《基于Star-CCM 动力电池液冷系统热管理仿真27讲》

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（5）掌握动力电池几何检查和修复方法

（6）掌握动力电池多类型网格划分方法

（7）掌握Python编写宏命令批量创建监测点和报告方法

（8）掌握动力电池计算时间步长设置准则

（9）掌握液冷板冷却液动态开启方法

（10）掌握动力电池结果动画制作方法

（11）掌握动力电池常温1C放电计算分析

（12）掌握动力电池高温1C放电计算分析

（13）掌握动力电池高温快充计算分析

（14）掌握动力电池低温加热计算分析

（15）掌握动力电池保温计算分析

（17）可以根据VIP群用户需要，酌情加餐内容或者直播。

（完）