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某新能源商用车电池组液冷板热管理方案研究
2021-03-03 11:21:04· 来源：Battery Insight view 作者：battery 风清扬
新能源汽车目前普遍采用锂电池作为动力电池，锂电池的最佳工作温度在10~30°C范围内，过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。液冷板是一种高效的电池热管理系统，通过液体对流换热，将电池产生的热量带走，降低电池温度。液体介质的换热系数高、热容量
新能源汽车目前普遍采用锂电池作为动力电池，锂电池的最佳工作温度在10~30°C范围内，过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。液冷板是一种高效的电池热管理系统，通过液体对流换热，将电池产生的热量带走，降低电池温度。液体介质的换热系数高、热容量大、冷却速度快，对降低最高温度、提升电池组温度场一致性的效果显著。
电池组液冷系统相比空冷系统效率更高，电池组内部温度分布更加均匀，但是系统相对复杂。笔者利用流体力学仿真的方法对某新能源商用车电池组液冷板进行分析，根据分析结果判定设计方案的合理性，并以此为基础进行方案改进，提高换热效率。
1控制方程
液冷板内流体流动及换热仿真计算采用三维、定常、不可压缩流动的控制方程建立数学模型，流体流动时所有介质满足守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。在流体流动处于湍流状态时，整个体系还要遵循湍流输运方程。以上这些守恒定律的数学描述，统称为控制方程。笔者选用CFD软件中的Realizablek-E:湍流模型进行数值计算。
湍流控制方程为三维不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程。
1)质量守恒方程
2)动量方程
3)能量方程
式中：p为流体密度(kg/m3);t为时间(s);U为速度矢撮(m/s);u,v和w为速度矢量U在x,y和z方向的分量；p为流体微元体上的压力(Pa);r为黏性应力(Pa)；凡，凡和F之分别为x,y和之三个方向上微元体上的体力(N/m3);T为温度(K);k为流体换热系数(W/(m2•K));cp为流体比热容(J/(kg•K)）；立为流体内热源及由于黏性作用引起的流体机械能转换为热能的部分(J)。
2模型建立及分析工况
2.1三维模型建立
计算模型为某新能源商用车电池组液冷板模块，散热方式为液体介质板式换热，冷却介质为体积分数为50％的乙二醇水溶液，采用SolidWorks建立三维模型。图1所示为液冷板三维几何模型，其中电池组液冷板主要由2根进水主管、2根出水主管、2块小液冷板和8块大液冷板组成，液冷板以并联方式排布，几何结构整体上呈对称布置。进、出水主管的内径均为14mm，大、小液冷板流道的厚度均为3mm。
图2所示为液冷板与电芯组合图。方形的电芯垂直布置在电池组液冷板上方，其中每块小液冷板上布置2排电芯，每块大液冷板上布置4排电芯，每排均有12个电芯，共432个电芯；电芯与电芯之间以串联方式连接，电芯几何尺寸为148mm*91mm*26.5mm；电芯和电池液冷板之间有2mm厚度的导热垫。几何模型生成后，为了建立CFD计算模型，需要将模型从SolidWorks中导出．stp格式文件。
2.2网格模型建立
针对该电池组液冷板热管理系统，采用流体计算前处理软件HyperMesh进行几何清理和网格划分。电池组液冷板和电芯几何模型在整体上呈对称布置，为了提高计算效率，缩短计算周期，沿纵向取一半模型进行CFD仿真计算，为了便于后面区分，依次对各液冷板进行1~5编号，计算域如图3所示。
计算过程中电芯和导热垫、导热垫和液冷板之间均用interface面进行连接。在网格处理过程中，设定电芯与导热垫为固体，冷却介质流动区域为液体，确保模型完全封闭，提取流体计算域，最终在CFD软件中进行体网格生成。
在体网格类型设置过程中，根据模型各自特点，分别选用不同的网格类型，其中电芯选用Trimmer网格，导热垫为Thin Mesher，液冷板为Polyhedral Mesher + Prism Layer。电芯单元数为441600个，导热垫单元数为50545个，液冷板单元数为2536496个。
2.3分析工况
新能源商用车电池组液冷板的性能，主要从冷却介质循环流阻和散热工况下电池的温控能力这2个方面评价，其中要进行相关流场及换热计算，必须了解相关换热性能参数。表1所示为电池组液冷板系统换热性能参数，其中电芯导热系数栏中x,y和z分别为图2所示液冷板1上方电芯的长度、厚度和高度方向。
笔者根据某新能源车型匹配的液冷板进行流场和换热仿真计算，计算软件为CFD通用商用软件ANSYS Fluent，采用稳态计算，湍流模型选择标准K-c模型，进出口边界条件选择流量进口、压力出口边界条件。压力速度耦合采用SIMPLE算法，对流项离散格式采用二阶迎风格式，各方程收敛标准均设置为10-5，具体工况和性能目标设置如下：．
1)流阻工况：液冷板进口冷却液流量范围要求15~20L/min，流阻不超过20kPa，在计算和试验过程中，流量选取20L/min。
2)散热工况：环境温度40°C，电池包73kW恒功率放电；要求电芯温度低于50°C，电芯之间的温差小于4°C；冷却液进口温度范围22~25°C，在计算和试验过程中，温度设定为25°C；冷却液流量范围要求15~20L/min，设定为18L/min。
由于CFD模型只有几何模型沿纵向的一半，故计算仿真过程中进口流量选取工况流量的1/2。
3原方案仿真与试验分析
在液冷板工作过程中，冷却介质从图1所示进口主管进入，经过各个液冷板时，由各液冷板分管流入各块液冷板对电芯进行冷却或者加热。原方案中，主管内径为14mm，液冷板1内径为6mm,液冷板2~5内径为10mm。
3.1液冷板流量分配与流阻计算
表2所示为各块液冷板流量分配及压降仿真与试验的对比结果，其中试验数据为同种工况重复3次结果的平均值。
从表2可以看出，流量分配与压降的仿真结果与试验结果，绝对误差都在5％以内，这是由于仿真计算过程中忽略了管壁摩擦等的影响。
3.2散热工况
图7所示为原液冷板设计方案散热工况下电池组液冷板的温度云图。电芯最高温度为49.9°C,最低温度为45.3°C，出口冷却介质平均温度为26.3°C。
从图7可以看出：散热工况下，液冷板1上方电池组大部分区域处于高温，高温区域比较集中，温度分布均匀性较差，且电芯最高温度已经接近温度限值(50°C)，电芯之间的温差也不符合要求（小于4°C)。
在计算结果温度较高点布置温度传感器，在相同冷却介质流量和温度情况下进行试验，表3所示为散热工况下仿真结果与试验结果对比。
从表3可以看出，在散热工况下，电芯最高温度与最低温度仿真结果与试验结果的误差绝对值都在5％以内，最大温差误差在10％以内，满足工程方面的要求。
鉴于系统不能满足设计要求，因此该新能源商用车电池组液冷板热管理系统方案需要改进。
4新方案仿真分析
原方案中电芯的高温区域主要集中在液冷板1上面，因此，需要对各液冷板的内径进行优化。液冷板1的内径需要适当增加以增大冷却介质的流量，但是考虑到整个系统的流阻及流量分配，以及不能无限制加大液冷板1的内径，经过多轮试验计算确定进、出水主管内径为14mm，液冷板1内径为7.9mm，液冷板2~5内径为6.4mm。
4.1液冷板流量分配与流阻计算
表4所示为原方案与新方案各块液冷板流量分配及压降计算结果的对比。
从表4可以看出，新方案各块液冷板之间的流量分配更加均匀，其中液冷板1的流量较原方案有了大幅提升；在保证流量分配均匀的前提下，进出口压降比原方案降低了16.38%。
4.2散热工况
图8所示为液冷板新方案散热工况下电池组液冷板系统的温度云图。电芯最高温度为46.6°C,电芯最低温度为43.1°C，出口冷却介质平均温度为26.1°C。
从图8可以看出：在散热工况下，新方案液冷板1上方电池组的高温区域较原方案减小，温度分布均匀性得到改善，且最高温度没有超过温度限值(50°C)，电芯之间的温差小于4°C。
5结论
利用CFD仿真技术对某新能源商用车电池组液冷板流场及电池组温度场进行分析计算。通过对原设计方案进行仿真分析，发现原设计方案不能满足电池组的设计要求，存在电芯最高温度过高，电芯间温差过大等问题。根据原方案分析和试验结果，制定新的设计方案，适当加大液冷板1的内径，并调整其他液冷板内径，使得各板之间的流量分配更加均匀，流阻有所降低；电池组的电芯最高温度低于温度限值(50°C)，且电芯之间的温差小于4°C，满足设计要求。
文章来源：浙江盾安人工环境股份有限公司
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