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基于STAR-CCM+的電動(dòng)車液冷動(dòng)力電池

2021-09-16 08:24:59·  來(lái)源：新能源熱管理技術(shù)  
　
1 模型簡(jiǎn)介 本文以某款電動(dòng)車的低配電池包為計(jì)算模型，該電池包共包含22 個(gè)電池模組。該電池包采用的冷卻方式為箱體底部集成液冷系統(tǒng)，將所有液冷板放置于電池模
1 模型簡(jiǎn)介
本文以某款電動(dòng)車的低配電池包為計(jì)算模型，該電池包共包含22 個(gè)電池模組。該電池包采用的冷卻方式為箱體底部集成液冷系統(tǒng)，將所有液冷板放置于電池模組下部，通過(guò)導(dǎo)熱硅膠進(jìn)行熱傳導(dǎo)。模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了提高計(jì)算效率，不考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，假設(shè)電池內(nèi)部材料物理屬性相同，在相同方向上導(dǎo)熱系數(shù)相同。 2 液冷流場(chǎng)仿真 2.1 模型與求解設(shè)置 在進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真之前，首先對(duì)液冷板流場(chǎng)進(jìn)行仿真及優(yōu)化，提取尼龍管、液冷板的內(nèi)表面，建立流場(chǎng)仿真模型，進(jìn)口與出口延長(zhǎng)200mm，在STAR-CCM+軟件中進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，采用多面體網(wǎng)格模型，生成兩層邊界層，邊界層總厚度為0.4mm，體網(wǎng)格數(shù)為1820萬(wàn)，如圖1，進(jìn)口為流量入口，流量為18L/min，出口為壓力出口，相對(duì)壓力為零。冷卻介質(zhì)為50%的乙二醇水溶液。原方案匯流管徑由左往右分別為：8mm、9mm、10mm、9mm、10mm。


2.2 仿真結(jié)果分析
對(duì)液冷板流場(chǎng)進(jìn)行仿真求解，讀取液冷板每根口琴管流量大小，計(jì)算流量最小值與最大值的偏差，結(jié)果見表1，0表示該口琴管流量最大，原方案的最大流量偏差為36%，不滿足10%的目標(biāo)值?？拷肟诘膮R流管流量最大，因減小靠近出口的匯流管管徑。為了使得口琴管間流量分配均勻，優(yōu)化各匯流管的管徑，具體方案如表2。
優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果見表3，通過(guò)調(diào)整匯流管管徑，方案3中各口琴管間最大的流量偏差為9%，滿足各支路流量分配的設(shè)計(jì)要求。

3 電池包溫度場(chǎng)仿真 3.1 模型與求解設(shè)置 建立電池包溫度場(chǎng)仿真模型，簡(jiǎn)化電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)，省略對(duì)溫度場(chǎng)影響很小的螺栓、安裝孔、線束等零件，模組采用簡(jiǎn)化模型，液冷板采用方案3 的回流管管徑尺寸，如圖4所示。在STAR-CCM+軟件中進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，冷卻管路為多面體網(wǎng)格，尼龍管、導(dǎo)熱墊與液冷板為拉伸體網(wǎng)格，空氣域及其它零部件為切割體網(wǎng)格，冷卻管路生成兩層，其它計(jì)算域不設(shè)置邊界層，體網(wǎng)格數(shù)為2210 萬(wàn)。模組芯體等效模型的熱物性參數(shù)：密度為2200kg· m-3，比熱容為950J·kg-1·K-1，X 與Y 向?qū)崧蕿?2.7W·m-1·K-1， Z 向?qū)崧蕿?.82W·m-1·K-1。其它電池包零件材料熱物性參數(shù)見表4

計(jì)算模型采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模式，湍流模型為k-ε 模型，流體為恒密度不可壓縮流體。設(shè)置環(huán)境溫度為25℃，冷卻液溫度為15℃，22 個(gè)模組總發(fā)熱量為2.2kW，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將模組設(shè)置為體熱源，總發(fā)熱量均布在每個(gè)電芯內(nèi)部。 3.2 仿真結(jié)果分析 根據(jù)上述計(jì)算模型及熱物性參數(shù)的設(shè)置，對(duì)電池包溫度場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱仿真，模組溫度云圖如圖5 所示。模組下表面靠近液冷板，溫度最低，最大溫度點(diǎn)在上表面中心，這是由于空氣自然對(duì)流傳熱的作用，使得模組周圍溫度低于中心溫度。對(duì)比不同模組的最高溫度可以看出，模組最高溫度的最小值出現(xiàn)在圖3 中左下角的模組，即距離冷卻液入口最近的模組，最小值為45.4℃，而模組最高溫度的最大值出現(xiàn)在圖中靠近冷卻液出口一側(cè)中間位置的模組，最大值為47.6℃，這是由于流入口琴管4 的冷卻液流量最小。由此得出，22 個(gè)模組的溫度偏差為2.2℃，溫度分布均勻，滿足最大溫差為3℃的目標(biāo)值，保證了電池系統(tǒng)的安全性以及電動(dòng)汽車足夠的續(xù)航里程。

本文建立了動(dòng)力電池包的液冷板仿真模型與整包溫度場(chǎng)模型，采用STAR-CCM+軟件進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真分析，通過(guò)優(yōu)化液冷板的回流管管徑，使得液冷板的流量偏差達(dá)到目標(biāo)值，為電池包的設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。溫度場(chǎng)仿真結(jié)果證實(shí)了流量分布均勻的液冷板可以有效地滿足溫度一致性，最大溫差為3℃。電池包的液冷板流場(chǎng)仿真與整包溫度場(chǎng)對(duì)動(dòng)力電池包的熱管理具有重要指導(dǎo)意義。
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