动力锂电池pack设计中的热流体仿真分析

动力锂电池pack设计中的热流体仿真分析摘要：锂电池Pack设计需要保证电池始终处在一个比较舒适的温度环境（电池温度范围：15-40；电池之间的温差：5-10）下工作，从而保证整车的长寿命、良好的续航里程性能、良好的功率性能以及较短的充电时间。锂电池Pack设计中往往会借助热流体仿真分析来辅助工程师完成pack热管理系统设计，本文从现状出发，介绍了锂电池pack设计中的必备理论知识以及仿真工具，并深入研究了的热流体仿真的基本理论。关键词：锂电池pack 热流体 仿真1 pack热管理设计流程概述在热管理系统设计阶段，可对Pack、模组或电池进行热场仿真分析，根据仿真结果快速地选择出冷却、加热和保温方式；在冷却子系统设计阶段，可以对Pack、模组或电池（带冷却子系统）进行热场和流场仿真分析，根据仿真结果确定冷却通道设计、冷却介质、冷却入口温度和流量以及风扇或泵的参数等。借助热流体仿真分析工具，大部分的Pack热管理设计工作和部分测试工作都可以在电脑上完成。大量的设计、制造、测试工作可以被省略，Pack设计的成本也会大幅度下降。2.基础知识简介和常用热流体仿真工具介绍热流体仿真工程师需要具备相关的理论知识和工程经验。此外，仿真往往需要借助一些工具。2.1仿真工程师必备的知识Pack热流体仿真工程师需要具备以下三个方面的技能和经验：1） 坚实的热流体理论基础。具备完善、扎实的热流体理论知识，能对工程中的传热与流动问题进行理论分析。2） 扎实的数学功底。热流体仿真分析是将热流体物理现象抽象成数学模型，利用数值方法进行求解。3） 丰富的工程实践经验。对于不同的问题能够进行合理的模型简化，能够结合自己的工程经验对实际问题进行评估并提出解决方案。2.2热流体仿真软件介绍热流体仿真软件大体分为三类：前处理软件、求解器和后处理软件：常用的前处理软件主要有Gambit、ICEM-CFD、Ansys Workbench等；求解器主要有Ansys Fluent、FloThermal、Star CCM+、X-flow、AVL Fire等；后处理软件主要有Tecplot、Anasys Workbench等。在某些情况下，还需要仿真工程师根据实际情况编写一些仿真程序。常用的编程语言有Fortran、Matlab、C/C+等。3.热流体仿真基础理论热流体仿真是将工程中涉及的传热和流体流动的物理现象用数学模型进行描述，然后利用数值方法对这些数学模型进行求解并得到相关的物理量（如温度、流体速度、流体压力等），进而为工程设计提供指导。3.1传热与流体流动理论基础3.1.1热传递的三种方式热传递的三种基本形式是：传导、对流和辐射。当物体之间直接接触时，依靠微观粒子热运动而产生的热量传递称为导热。气体中的导热是气体分子不规则热运动的结果。导电固体的导热是自由电子在晶格中互相碰撞的结果。非导电固体中的导热是通过晶格的振动来实现的，即一种弹性波。液体中的导热机理，一种认为与气体类似，另一种认为与非导电固体类似。导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比于垂直于该截面方向上的温度梯度。即傅里叶导热定律，式（1）是其数学描述 （1）式中，-表示热量传递方向与温度升高的方向相反：为单位时间内通过截面的热量；为物体的导热系数；A为截面面积；T为物体温度；x为垂直于截面方向上的维度。工程中将流体流过固体表面时热量的传递过程称为对流换热。对流换热包括导热和热对流两种现象。热对流是指由于流体宏观运动引起的冷、热流体相互掺混，进而导致的热量传递的过程。固体与流体界面通过对流换热传递的热量可以通过牛顿冷却公式进行计算，如式（3）所示。 （2）式中，为单位时间内通过界面的热量；h为对流换热系数；A为固体与流体接触面积；Tw 为接触面固体的温度；Tf 为流体的温度。辐射换热则是由物质的电磁波运动引起的热量传递过程。辐射换热可以在真空中进行。3.1.2流体动力学控制方程流体力学研究的是流体的宏观平衡和运动规律。描述流体动力学机理的数学模型可通过基本物理原理推导出来：通过质量守恒定律可推导出连续性方程；通过牛顿第二定律可推导出动量方程；通过能量守恒定律可推导出能量方程；。对于一个流体微元，质量守恒定律可解释为单位时间内流体微元质量的增量等于通过流体微元边界流入的净质量。可以表示成式（3） （3）式中，为物体的密度；t为时间；x，y，z为笛卡尔坐标的三个维度；u、v、w分别为流体在x、y、z方向的分速度。动量守恒定律可以解释为流体微元动量随时间的变化率等于流体微元所受外力之和。可表示成式（4）、（5）（6）。 （4） （5） （6）式（4）、（5）、（6）分别为x、y、z方向的动量方程，p为流体的压力；ab为作用在a平面上指向b方向的应力；fx、fy、fz分别为作用在流体上的体积力在x、y、z方向上的分加速度；能量守恒定律可以解释为流体微元内能量的增加率等于进入流体微团的净热量加上体积力和表面力对流体微元做的功。可表示成（7）（7）式中，e为流体的内能（J）。3.1.3边界条件指在求解域的边界上给定未知函数或未知函数一阶导数的值。大体可分为三类：第一类边界条件给定了未知函数在边界上的数值；第二类边界条件给定了未知函数在边界外法线方向上的导数值；第三类边界条件给定了未知函数与边界外法线方向导数的线性组合。3.2偏微分方程的离散方法解析方法只能求解少数简单的热流体偏微分方程。在求解之前需要把偏微分形式的控制方程组变成离散方程组。常见的离散方法有三种：有限容积法、有限差分法和有限单元法。3.3离散方程组的求解通过FVM、FDM或FAM将热流体的控制方程离散后，都可表示成式（8）所示。A=b （8）式中，A为系数矩阵：为待求的未知量矩阵；b：广义源项矩阵。一般采用数值方法求解式（9）所示的离散方程组。常用的方法有Jacob迭代法、Gauss消元法、TDMA、ADI和共轭梯度法等。4 结论本文从电池pack设计的热管理流程入手、对流体热管理基础知识和常用热流体仿真工具进行了介绍，并深入分析了热流体仿真的基础理论，为Pack的热流体仿真设计分析提供了一种思路和方法，对于pack的热流体仿真设计具有参考意义。参考文献1 王芳、夏军 等.电动汽车动力电池系统安全分析与设计M.北京:科学出版社,2016.2EN 1987-1.Electrically