纯电动汽车锂电池组液冷散热系统的设计与仿真

纯电动汽车锂电池组液冷散热系统的设计与仿真摘要基于对某纯电动汽车锂电池组参数选型而确定1P105S电池单元布局形式，设计了宽式和窄式两种液冷散热流道，并于1.5C充放电倍率时分别在25℃、45℃环境温度下对该电池组进行了温度场仿真以及在0.5m/s和1m/s入口流速下对流道流体进行了速度场仿真，结果表明：仿真与试验数据吻合良好；在相同温度、入口流速下，窄式流道液冷散热系统有更好的散热效果；窄式流道内部流体温度均匀性更好，可更好地降低电池组内部温差；窄式流道内部流体最高流速更高，冷却液流动性更剧烈，可带来更高的换热效率；当环境温度达45℃时，电池组温差超过5℃,可能会降低锂电池组性能、缩短循环使用寿命，需进一步改进液冷散热系统。关键词纯电动汽车；锂电池组；液冷散热系统；设计；仿真DesignandSimulationofLiquidCoolingSystemofAbstract:BasedontheparameterselectionofaBEVLi-ionbatterypack,thelayoutof1P105Sbatterycellwasdetermined,thenbothawideandanarrowliquidcoolingflowchannelweredesigned.Atacharge&dis-chargerateof1.5C,thetemperaturefieldsimulationofbatterypackwascarriedoutatanambienttemperatureof25℃and45℃respectively,subsequently,thevelocityfieldsimulationoffluidinflowchannelswascarriedoutataninletflowvelocityof0.5m/sand1m/srespectively.Theresultsshowthatthesimulatedandexperi-mentaldataareingoodagreement;atthesametemperatureandinletflowrate,theliquidcoolingsystemwiththenarrowchannelhasbetterheatdissipationeffect;fluidinthenarrowflowchannelhasbetteruniformityoftemperature,whichcanbetterreducethetemperaturedifferenceinsidethebatterypack;themaximumflowve-locityofthefluidinthenarrowchannelishigher,andthecoolantflowismoreintense,whichcanbringhigherheattransferefficiency;whentheambienttemperaturereaches45℃,thetemperaturedifferenceofbatterypackexceeds5℃,whichmayreducetheLi-ionbatterypackperformanceandshortenitscyclelife,thenneedfurtherimprovementoftheliquidcoolingsystem.Keywords:BEV;Li-ionbatterypack;Liquidcoolingsystem;Design;Simulation我国于“十三五”末制定发布的《新能源汽车产业发展达40.69%。陈祎[3]根据动力电池组液冷散热系统理论，规划(20212035)》提及2025年新能源汽车销售量将基于DOE建立了代理模型并作多目标优化，结果与CFD达新车销售量的20%[1],大力发展新能源汽车产业乃大仿真结果误差仅1.8%,该设计有良好的应用参考价值。势所趋。近年来新能源汽车自燃事故频发，这严重威胁到钱欣哲等[4]研究发现蛇形液冷管道比直流液冷管道更易了用户的生命财产安全，且自燃引起的负面影响也一定程形成湍流，可提高散热效率。杨明飞[5]通过下置式单进出度上阻碍了新能源汽车的推广，其中不少自燃是由动力电流道、下置式双进出流道以及内置式双进出流道散热性能池包热量堆积造成，而动力电池乃新能源汽车“三电”系统仿真对比发现内置式双进出流道散热效果最佳。李龙之一，其性能与整车性能直接挂钩，并与电池组散热系统飞[6]对蛇形冷却管的单向流和双向流进行散热性能仿真紧密相关。王翔等[2]通过调节冷却液入口流量与温度，并对比发现流量较小时，单向流散热效果更好；较大时，散热采用变接触角度优化了液冷管道，使电池模组内温差降幅效果差别不大。徐剑武等[7]提出在并行流道与液冷板流道间增加从两侧向中间递减的扰流结构可大幅改善散热性能。陈诚[8]设计了一种肋条结构的电池模组并将其仿真结果同平滑壁面的电池模组对比，发现前者散热性能优于后者。孙锟[9]设计了一种由铝制液冷板、石墨片和导热垫组成的多介质耦合液冷系统，其在保持良好散热性能的同时，也具较高耐冲击性和耐震性。Mohsen等[10]设计了一种由混合冷却板被动散热和液冷管主动散热构成的复合液冷散热结构，更轻、更节能、更高效。Fayaz等[11]通过深入研究空气、相变材料、微通道、热管和水冷等不同BT-MS封头下的设计参数发现单目标优化有助于获取与电等[12]通过对比不同放电率、液冷板温度的锂电池组电、热效和最低损耗。综上所述，国内外对于新能源汽车动力电池液冷散热系统的研究已趋于成熟，研究方向趋于细化，且研究内容也不再满足于对单一目标的优化设计，往往同时考虑多个目标的相互影响，并分析电池包内部不同结构间热流的耦合效应，对多目标协同优化。对不同类型电池设计对应的电池包结构和液冷散热管道，维持电池包内温度均匀性、降低最高温度，寻求散热性能最优解。由方形磷酸铁锂电池单元组成的电池包在不同工况1P105S磷酸铁锂电池，通过研究其热行为规律来设计一种合适的液冷散热结构对保证动力电池包稳定工作、提高新能源汽车整车性能有重大意义。1锂电池组参数选型选取市面上某续航里程300km的纯电动汽车锂电池组[13]为研究对象，其性能参数如表1所列。通过分析目置，最后确定电池组尺寸。表1某续航300km纯电动汽车的锂电池系统性能参数表项目单位数据总能量kW·h30.7额定容量Ah直流充电kW交流充电kW7工作温度℃20-60额定电压V332.8冷却方式液冷主动经分析可得：(1)该锂电池组总能量不低于35kW·h,额定电压不低于333V:(2)电池单体能量＝单体额定电压＊单元容量=0.336kW·h;(3)电池单体数＝电池组总能量／电池单故选定该锂电池组内电池单体数为105个。在并联池组满足设计要求。采用SolidWorks软件对该1P105S锂电池组进行三维建模，其结构示意图如图1所示，其由5排大单元并联组成，每排大单元由21个锂电池单体并联组成，长宽高尺寸为1055mm×630mm×175mm。图11P105S锂电池组结构示意图2液冷散热系统设计2.1设计方案该液冷散热系统主要包括导热垫、液冷管道及导热垫是电池与液冷管道间的填充材料，用以减少电池与液冷管道间的气体间隙、增加散热效果，还有绝缘、减震的功能，一定程度上提升安全性能。针对方形锂电池的液冷管道及接头设计，采用板式液冷散热系统。液冷散热系统设计目标和要求主要包括如下六点：(1)最大限度的轻量化和降低成本；(2)液冷管道与电池组之间有足够的换热面积；(3)液冷管道需具一定强度，承载电池组重量；(4)为保证冷却系统散热效率，液冷管道出入口温度、冷却液温差需尽可能小；(5)电池组温度不可以高于正常工作温度(45℃)范围；(6)电池组整体温差需控制在5℃以内。道。宽流道比窄流道有较大换热面积，窄流道比宽流道更轻。通过对比两种不同散热流道的液冷散热系统散热性能，择优制定设计方案。2.2结构设计根据设计目标与要求设计出液冷散热结构，其流道出入用同向进出口设计，如图2所示；窄流道采用异向进出口设计，如图3所示；液冷流道材料目前市场主流有铜和铝两种，为满足轻量化、低成本的要求，选择铝制液冷管道。图2宽式液冷散热流道图3窄式液冷散热流道3液冷系统仿真3.1理论模型在液冷散热仿真中，冷却液的散热效果主要与冷却液本身性质、流道换热性能有关。冷却液本身性质对换热效果的影响主要体现在冷却液在流道内的流态，流道换热其主要换热方式为对流换热。冷却液在方形流道内流动所对应的Re表达式如下：(1)Re=(1)m/s;d为圆形流道直径，单位m;方形流道采用当量直径d=4A/l;A为流道截面面积，单位m2;l为流道湿周长，单位m;μ为流体动力粘度，单位Pa·s。液冷散热系统的热量交换在固、液间进行，当固、液间存在温差或相对运动时便产生对流换热。根据牛顿冷却定律，对流换热的表达式如下：q=hΔt=h(tw-tf)(2)单位K;tf为流体温度，单位K;h为对流换热系数，单位W/(m2·K)。因液体在边界层处无滑移，其传热方式只能是导热，在边界层处采用傅立叶定律可得换热微分方程：∂yy=0q=-λ∂t∂yy=0位K/m;λ为流体的导热系数，单位W/(m·K)。联立式(2)、(3)可得：q=-y=0(4)3.2网格划分(a)流道网格(b)接头网格图4宽式流道液冷散热系统网格对该液冷散热系统划网格，为减小计算量、保证精度，更规则，再将液冷散热系统装配体导入ANSYSFluentMeshing,采用双求解精度。经过网格无关性验证后，生成11817627,网格面数为18327411,如图4所示；窄式流道的面数为17605295,如图5所示。(a)内部体网格(b)接头网格图5窄式流道液冷散热系统网格3.3参数与条件设置3.3.1模型材料参数液冷散热系统各材料的热特性参数如表2所列。表2液冷散热系统热特性参数项目材料密度(kg/m3)比热容(J/(kg·K))导热系数(W/(m·K))动力粘度(Pa·S)冷却液液态水998.20.61.003×10-6流道铝202.4 3.3.2流态在本文设计的宽式和窄式流道中，宽式流道的当量直径d=0.036m,窄式的d=0.033m。入口流速分别设为0.5m/s和1m/s两种，进行对比。将已知数据代入式(1)中，可得不同入口流速下宽、窄两种流道的流态数据，如表3所列。表3流道数据流道类型入口流速(m/s)当量直径(m)Re流态宽式0.50.03617913.858湍流宽式10.03635827.717湍流窄式0.50.03316421.037湍流窄式10.03332842.073湍流3.3.3边界条件(1)环境温度与热源针对该锂电池组液冷散热系统，选1.5C充放电倍率的工况为仿真热源，环境温度分别选25℃和45℃两组。锂电池组表面、流道表面与外界空气之间的传热形式为对流换热，空气换热系数为1~10W/(m2·K),取值为5W/(m2·K),重力加速度为9.81m/s。(2)流道入口与出口参数由表3可知，入口流速设为0.5m/s或1m/s,湍流模25℃;出口：背压设为0,其他为默认设置。(3)求解器始化，计算参考选择入口(inlet)面。(4)仿真计算平台采用联想P900工作站，其CPU为四核心八线程的32.0GB,显卡为GT610。在实际仿真计算中，为保证工作站稳定运行，保留四个线程计算余量，AnsysFluent只分配十二线程做仿真计算。3.4仿真结果与讨论3.4.1宽式流道液冷散热系统0.5m/s时的仿真计算值与试验实测值的对比曲线如图6所示，从图中可知：仿真与试验数据吻合良好，这便验证了仿真数理模型的合理性，于是便可以用该仿真模型来对其它各种工况进行仿真计算。图6宽式流道平均温度试验与仿真数据对比由图7和8可知，宽式流道液冷散热系统在环境温度25℃、入口流速0.5m/s时，其最高温度为29.9℃,温度差为4.9℃,整体平均温度约为28℃,流道内冷却液温差在0.5℃时，其最高温度为29.7℃,温度差为4.7℃,整体平均温度约为28℃,流道内冷却液温差在0.5℃以内。由图7和10可知，在环境温度45℃、入口流速0.529.5℃,流道内冷却液温差在2℃以内。由图7和11可知，在温度差为8.4℃,整体平均温度约为29.2℃,流道内冷却液温却液以0.5m/s流速流入流道时，内部最高流速为1.44m/s;以1m/s流入流道内时，内部最高流速为2.99m/s。图7宽式流道液冷散热系统数据图(a)整体温度云图(b)冷却液温度云图图8环境温度25℃、入口流速0.5m/s下的宽式流道温度云图(a)整体温度云图(b)冷却液温度云图图9环境温度25℃、入口流速1.0m/s下宽式流道温度云图(a)整体温度云图(b)冷却液温度云图图10环境温度45℃、入口流速0.5m/s下宽式流道温度云图(a)整体温度云图2023年第(b)冷却液温度云图图11环境温度45℃、入口流速1.0m/s下宽式流道温度云图(a)入口流速0.5m/s(b)入口流速1.0m/s图12宽式流道流体流速云图3.4.2窄式流道液冷散热系统由图13和14可知，窄式流道液冷散热系统在环境温0.5℃以内。由图13和16可知，在环境温度时，其最高温度为33.2℃,温度差为约为29℃,流道内冷却液温差在0.8℃以内。由冷却液流速图（图18)可知，宽式流道内冷却液以0.5m/s流速流入图13窄式流道液冷散热系统数据图(a)整体温度云图(b)冷却液温度云图0.5m/s下的窄式流道温度云图(a)整体温度云图(b)冷却液温度云图1.0m/s下的窄式流道温度云图(a)整体温度云图(b)冷却液温度云图0.5m/s下的窄式流道温度云图(a)整体温度云图(b)冷却液温度云图1.0m/s下的窄式流道温度云图(a)入口流速0.5m/s(b)入口流速1.0m/s图18窄式流道流体流速云图3.4.3仿真结果分析经分析数据可知，在环境温度25℃、入口流速0.5m/s时，窄式流道比宽式流道的液冷散热系统的最高温度低散热系统的最高温度低0.2℃,温差低0.2℃,平均温度低0.4℃;在环境温度45℃,入口流速0.5m/s时，窄式流道比宽式流道的液冷散热系统的最高温度低0.6℃,温差低0.6℃,平均温度低0.5℃,冷却液温差低1.2℃;在环境温度45℃,入口流速1.0m/s时，窄式流道比冷散热系统的最高温度低0.4℃,温差低0.2℃,平均温度低0.2℃,冷却液温度差低1.2℃。对比流速可知，不同流道内流态在0.5m/s的入口流速条件下，窄式流道内流体最高流速比宽式流道高0.84m/s;在1.0m/s的入口流速条件下，窄式流道内流体最高流速比宽式流道内流体最高流速高1.37m/s。(1)仿真与试验数据吻合良好；在相同温度、入口流速下，窄式流道液冷散热系统的散热效果更好。(2)窄式流道内部流体温度均匀性更好，可更好地降却液流动性更剧烈，可带来更高的换热效率。(3)当环境温度达45℃时，电池组温