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某新能源商用車電池組液冷板熱管理方案研究
2021-03-03 11:21:04· 來源：Battery Insight view 作者：battery 風清揚
新能源汽車目前普遍采用鋰電池作為動力電池，鋰電池的最佳工作溫度在10~30°C范圍內(nèi)，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。液冷板是一種高效的電池熱管理系統(tǒng)，通過液體對流換熱，將電池產(chǎn)生的熱量帶走，降低電池溫度。液體介質(zhì)的換熱系數(shù)高、熱容量
新能源汽車目前普遍采用鋰電池作為動力電池，鋰電池的最佳工作溫度在10~30°C范圍內(nèi)，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。液冷板是一種高效的電池熱管理系統(tǒng)，通過液體對流換熱，將電池產(chǎn)生的熱量帶走，降低電池溫度。液體介質(zhì)的換熱系數(shù)高、熱容量大、冷卻速度快，對降低最高溫度、提升電池組溫度場一致性的效果顯著。
電池組液冷系統(tǒng)相比空冷系統(tǒng)效率更高，電池組內(nèi)部溫度分布更加均勻，但是系統(tǒng)相對復雜。筆者利用流體力學仿真的方法對某新能源商用車電池組液冷板進行分析，根據(jù)分析結果判定設計方案的合理性，并以此為基礎進行方案改進，提高換熱效率。
1控制方程
液冷板內(nèi)流體流動及換熱仿真計算采用三維、定常、不可壓縮流動的控制方程建立數(shù)學模型，流體流動時所有介質(zhì)滿足守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。在流體流動處于湍流狀態(tài)時，整個體系還要遵循湍流輸運方程。以上這些守恒定律的數(shù)學描述，統(tǒng)稱為控制方程。筆者選用CFD軟件中的Realizablek-E:湍流模型進行數(shù)值計算。
湍流控制方程為三維不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程。
1)質(zhì)量守恒方程
2)動量方程
3)能量方程
式中：p為流體密度(kg/m3);t為時間(s);U為速度矢撮(m/s);u,v和w為速度矢量U在x,y和z方向的分量；p為流體微元體上的壓力(Pa);r為黏性應力(Pa)；凡，凡和F之分別為x,y和之三個方向上微元體上的體力(N/m3);T為溫度(K);k為流體換熱系數(shù)(W/(m2•K));cp為流體比熱容(J/(kg•K)）；立為流體內(nèi)熱源及由于黏性作用引起的流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分(J)。
2模型建立及分析工況
2.1三維模型建立
計算模型為某新能源商用車電池組液冷板模塊，散熱方式為液體介質(zhì)板式換熱，冷卻介質(zhì)為體積分數(shù)為50％的乙二醇水溶液，采用SolidWorks建立三維模型。圖1所示為液冷板三維幾何模型，其中電池組液冷板主要由2根進水主管、2根出水主管、2塊小液冷板和8塊大液冷板組成，液冷板以并聯(lián)方式排布，幾何結構整體上呈對稱布置。進、出水主管的內(nèi)徑均為14mm，大、小液冷板流道的厚度均為3mm。
圖2所示為液冷板與電芯組合圖。方形的電芯垂直布置在電池組液冷板上方，其中每塊小液冷板上布置2排電芯，每塊大液冷板上布置4排電芯，每排均有12個電芯，共432個電芯；電芯與電芯之間以串聯(lián)方式連接，電芯幾何尺寸為148mm*91mm*26.5mm；電芯和電池液冷板之間有2mm厚度的導熱墊。幾何模型生成后，為了建立CFD計算模型，需要將模型從SolidWorks中導出．stp格式文件。
2.2網(wǎng)格模型建立
針對該電池組液冷板熱管理系統(tǒng)，采用流體計算前處理軟件HyperMesh進行幾何清理和網(wǎng)格劃分。電池組液冷板和電芯幾何模型在整體上呈對稱布置，為了提高計算效率，縮短計算周期，沿縱向取一半模型進行CFD仿真計算，為了便于后面區(qū)分，依次對各液冷板進行1~5編號，計算域如圖3所示。
計算過程中電芯和導熱墊、導熱墊和液冷板之間均用interface面進行連接。在網(wǎng)格處理過程中，設定電芯與導熱墊為固體，冷卻介質(zhì)流動區(qū)域為液體，確保模型完全封閉，提取流體計算域，最終在CFD軟件中進行體網(wǎng)格生成。
在體網(wǎng)格類型設置過程中，根據(jù)模型各自特點，分別選用不同的網(wǎng)格類型，其中電芯選用Trimmer網(wǎng)格，導熱墊為Thin Mesher，液冷板為Polyhedral Mesher + Prism Layer。電芯單元數(shù)為441600個，導熱墊單元數(shù)為50545個，液冷板單元數(shù)為2536496個。
2.3分析工況
新能源商用車電池組液冷板的性能，主要從冷卻介質(zhì)循環(huán)流阻和散熱工況下電池的溫控能力這2個方面評價，其中要進行相關流場及換熱計算，必須了解相關換熱性能參數(shù)。表1所示為電池組液冷板系統(tǒng)換熱性能參數(shù)，其中電芯導熱系數(shù)欄中x,y和z分別為圖2所示液冷板1上方電芯的長度、厚度和高度方向。
筆者根據(jù)某新能源車型匹配的液冷板進行流場和換熱仿真計算，計算軟件為CFD通用商用軟件ANSYS Fluent，采用穩(wěn)態(tài)計算，湍流模型選擇標準K-c模型，進出口邊界條件選擇流量進口、壓力出口邊界條件。壓力速度耦合采用SIMPLE算法，對流項離散格式采用二階迎風格式，各方程收斂標準均設置為10-5，具體工況和性能目標設置如下：．
1)流阻工況：液冷板進口冷卻液流量范圍要求15~20L/min，流阻不超過20kPa，在計算和試驗過程中，流量選取20L/min。
2)散熱工況：環(huán)境溫度40°C，電池包73kW恒功率放電；要求電芯溫度低于50°C，電芯之間的溫差小于4°C；冷卻液進口溫度范圍22~25°C，在計算和試驗過程中，溫度設定為25°C；冷卻液流量范圍要求15~20L/min，設定為18L/min。
由于CFD模型只有幾何模型沿縱向的一半，故計算仿真過程中進口流量選取工況流量的1/2。
3原方案仿真與試驗分析
在液冷板工作過程中，冷卻介質(zhì)從圖1所示進口主管進入，經(jīng)過各個液冷板時，由各液冷板分管流入各塊液冷板對電芯進行冷卻或者加熱。原方案中，主管內(nèi)徑為14mm，液冷板1內(nèi)徑為6mm,液冷板2~5內(nèi)徑為10mm。
3.1液冷板流量分配與流阻計算
表2所示為各塊液冷板流量分配及壓降仿真與試驗的對比結果，其中試驗數(shù)據(jù)為同種工況重復3次結果的平均值。
從表2可以看出，流量分配與壓降的仿真結果與試驗結果，絕對誤差都在5％以內(nèi)，這是由于仿真計算過程中忽略了管壁摩擦等的影響。
3.2散熱工況
圖7所示為原液冷板設計方案散熱工況下電池組液冷板的溫度云圖。電芯最高溫度為49.9°C,最低溫度為45.3°C，出口冷卻介質(zhì)平均溫度為26.3°C。
從圖7可以看出：散熱工況下，液冷板1上方電池組大部分區(qū)域處于高溫，高溫區(qū)域比較集中，溫度分布均勻性較差，且電芯最高溫度已經(jīng)接近溫度限值(50°C)，電芯之間的溫差也不符合要求（小于4°C)。
在計算結果溫度較高點布置溫度傳感器，在相同冷卻介質(zhì)流量和溫度情況下進行試驗，表3所示為散熱工況下仿真結果與試驗結果對比。
從表3可以看出，在散熱工況下，電芯最高溫度與最低溫度仿真結果與試驗結果的誤差絕對值都在5％以內(nèi)，最大溫差誤差在10％以內(nèi)，滿足工程方面的要求。
鑒于系統(tǒng)不能滿足設計要求，因此該新能源商用車電池組液冷板熱管理系統(tǒng)方案需要改進。
4新方案仿真分析
原方案中電芯的高溫區(qū)域主要集中在液冷板1上面，因此，需要對各液冷板的內(nèi)徑進行優(yōu)化。液冷板1的內(nèi)徑需要適當增加以增大冷卻介質(zhì)的流量，但是考慮到整個系統(tǒng)的流阻及流量分配，以及不能無限制加大液冷板1的內(nèi)徑，經(jīng)過多輪試驗計算確定進、出水主管內(nèi)徑為14mm，液冷板1內(nèi)徑為7.9mm，液冷板2~5內(nèi)徑為6.4mm。
4.1液冷板流量分配與流阻計算
表4所示為原方案與新方案各塊液冷板流量分配及壓降計算結果的對比。
從表4可以看出，新方案各塊液冷板之間的流量分配更加均勻，其中液冷板1的流量較原方案有了大幅提升；在保證流量分配均勻的前提下，進出口壓降比原方案降低了16.38%。
4.2散熱工況
圖8所示為液冷板新方案散熱工況下電池組液冷板系統(tǒng)的溫度云圖。電芯最高溫度為46.6°C,電芯最低溫度為43.1°C，出口冷卻介質(zhì)平均溫度為26.1°C。
從圖8可以看出：在散熱工況下，新方案液冷板1上方電池組的高溫區(qū)域較原方案減小，溫度分布均勻性得到改善，且最高溫度沒有超過溫度限值(50°C)，電芯之間的溫差小于4°C。
5結論
利用CFD仿真技術對某新能源商用車電池組液冷板流場及電池組溫度場進行分析計算。通過對原設計方案進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)原設計方案不能滿足電池組的設計要求，存在電芯最高溫度過高，電芯間溫差過大等問題。根據(jù)原方案分析和試驗結果，制定新的設計方案，適當加大液冷板1的內(nèi)徑，并調(diào)整其他液冷板內(nèi)徑，使得各板之間的流量分配更加均勻，流阻有所降低；電池組的電芯最高溫度低于溫度限值(50°C)，且電芯之間的溫差小于4°C，滿足設計要求。
文章來源：浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司
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