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动力电池包热管理设计与优化分析
2022-01-17 19:44:04· 来源：电动学堂 作者：彭豪
文章来源：武汉力神动力电池系统科技有限公司1引言随着新能源汽车的行业的发展，动力电池包的热失控问题成为其发展的障碍；复杂的工况和高温会导致电池系统温度
文章来源：武汉力神动力电池系统科技有限公司
1引言
随着新能源汽车的行业的发展，动力电池包的热失控问题成为其发展的障碍；复杂的工况和高温会导致电池系统温度迅速升高，影响电池的反应性能和循环寿命，甚至影响热安全。目前采用水冷板式液流换热结构，PCM相变散热结构基本上能够满足电池高温冷却的需要；但是难以保证电池系统温差波动范围在5℃以内；目前热管理的侧重在于如何控制系统的温差。
电池包热管理主要分为：低温加热和高温散热；当环境温度过低时，必须对电池包采取加热才能进行充电，运行时，由于电芯发热，必须对电池包进行水冷散热。电池包不仅要保证温度合适，而且必须保证电池包内不电芯间的温差合适。才能保证新能源汽车的续航里程和电芯的使用寿命，以及汽车的安全性。
为保证电池包在工作时温度处在合适的范围，并且电芯间温差也能在适当的范围内。本文采用Ansys-fluent对目前流行的液体循环冷暖一体化热控方式（运用流体回路进行液冷液热）的某款电池包液冷回路进行压降分析，根据仿真结果优化液冷流道设计，在满足散热和加热情况下，改善散热和加热时系统的温度均匀性，并通过实验验证设计的合理性。本文汽车电池包加热温差控制范围在10℃以内；散热时温差范围控制在5℃以内。
2仿真模型以及边界条件
流场分析模型为流道以及水室的内部空间，冷却液为50%的乙二醇水溶液，粘度为3.39mPa·s（常温）；网格为多面体网格。
3仿真输入
在高温45℃的环境温度，1C充放电条件下进行液冷测试，在低温-20℃的环境温度下进行液热测试；水冷管入口流量均为15L/min，入口水温均为20℃；冷却液为乙二醇水溶液（乙二醇占50%）。测试设备为新水冷测试平台，星云充放电设备。
4仿真输出
4.1在入口流量为15L/min，出口设置为0Pa的条件下，通过fluent对系统的流道进行压降分析，得到图2所示的流道压降图。
根据初始的压降分析结果可知：尾部双层口琴管处压降相较于前面单层水冷板的压降小，容易导致加热和散热不均匀，可将尾部三通接口与双层水冷管水室连接处的管径减小，从而使各并联回路中压降平衡。优化后的压降分析结果，如图3所示：
优化后的各并联回路的压降较之前更加均匀，流阻稍有偏大。
5实验测试结果
根据仿真分析后，将优化前、后两种箱体放入水冷测试平台温箱中，利用星云充放电设备进行高温水冷工况以及低温加热工况的测试；优化前后的箱体仅仅是水管不同，只需要跟换水管即可，进行两种箱体的测试。测试实际图片，如图4所示：
5.1高温冷却工况结果
在环境温度为40℃的温箱中，设置水冷管入口流量为15L/min，入口温度为20℃，1C放电工况下；测试得到优化前后的系统随温度变化曲线图，温差曲线如下图5、图6所示：
优化前电池包整体的温度随时间降，可知水冷效果满足要求；放电结束时刻最高温度35.1℃，最大温差4.7℃，满足热设计要求。优化后电池包整体的温度随时间降，可知水冷效果满足要求；实验结束最高温度35.9℃。最大温差3.2℃，满足热管理要求，温差相对于优化前降低1.5℃。可知优化后系统散热更加均匀，有利于控制系统温差，保证电芯使用寿命。
5.2低温加热工况结果
在环境温度为-20℃的温箱中，水冷管入口流量为15L/min，入口温度为20℃，1C放电工况下；测试得到优化前后的系统随温度变化曲线温差曲线图，如图7、图8所示：
优化前电池包整体，从-20℃升温至5℃，用时47min，整个过程加热过程最大温差为9.1℃，满足热管理要求；优化后电池包整体，从-20℃升温至5℃，用时36min；整个加热过程最大温差为5.4℃，比A样降低3.7℃，热管理性能进一步得到改善。
6 结论
内置水冷能够很好的保证水冷效果，关键在于保证系统内温差合适，通过调节流道流量均匀性，能够较好的改善液冷、液热的热管理效率，使系统整机加热、散热更加均匀，温差更幅度更小。
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