基于CFD的電動(dòng)汽車鋰電池包內(nèi)部流場(chǎng)模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃芳芳，宋開通，吳亞東

（奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引 言

鋰離子電池作為動(dòng)力源，在整車充、放電工況下均產(chǎn)生大量熱量，造成風(fēng)冷電池內(nèi)部電池單體溫度的升高和單體電池間的溫差，大大降低了電池性能，甚至嚴(yán)重影響電池的使用壽命和整車安全[1]。因此，需建立電池內(nèi)部流場(chǎng)的理論模型，基于數(shù)值模擬技術(shù)分析電池包在充、放電過程中的流場(chǎng)分布，預(yù)估電池包的散熱性能，優(yōu)化電池包的散熱結(jié)構(gòu)，以提高風(fēng)冷電池包的使用性能和循環(huán)壽命[2]。由于CFD可靠性的不斷提高[3]，它被廣泛應(yīng)用于研究流體機(jī)械流場(chǎng)問題領(lǐng)域。本文基于CFD對(duì)風(fēng)冷電池包的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行理論模型的建立與數(shù)值模擬，并根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果提出優(yōu)化方案。

1 鋰電池包流場(chǎng)數(shù)值模擬

1.1 控制方程

風(fēng)冷鋰電池包的內(nèi)部散熱基本依靠強(qiáng)迫對(duì)流換熱。當(dāng)前，解決強(qiáng)迫對(duì)流換熱的主流方法為k-ε湍流模型，ε表示耗散率，k表示湍動(dòng)能。本文運(yùn)用k-ε湍流模型進(jìn)行鋰電池包的內(nèi)部流場(chǎng)仿真，并采用描述固體導(dǎo)熱的控制方程、能量方程、動(dòng)量方程、流體連續(xù)方程、ε方程及k方程等進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

內(nèi)熱源導(dǎo)熱控制方程：

能量方程：

動(dòng)量方程：

湍動(dòng)能k和耗散率ε的方程為：

式中：ρ為氣體密度；t為時(shí)間；ui、uj、uk分別為三個(gè)方向上流體的平均速度；xi、xj、xk分別為三維直角坐標(biāo)系方向上的分量；T為溫度；μ為粘性系數(shù)；cρ為比熱容；k為流體的傳熱系數(shù)；μt為湍動(dòng)粘度；Gk是由于平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能；C1ε和C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)1.44和1.92。

1.2 幾何模型

三元鋰離子電池包內(nèi)部CFD仿真分析的前提條件是建立完善的數(shù)學(xué)模型。本文的建模對(duì)象為國(guó)內(nèi)新能源汽車公司開發(fā)的新款純電動(dòng)汽車的一種三元鋰電池系統(tǒng)總成。天能電池公司生產(chǎn)的單體電池容量為2.2 Ah。電池系統(tǒng)總成由24個(gè)電池單體串并聯(lián)組成，電池單體的尺寸為340 mm×128 mm×74.5 mm，電池殼體厚度為3 mm，電池包的尺寸為1 326 mm×1 253 mm×233 mm。電動(dòng)沿著向右的方向行駛，并依據(jù)車輛運(yùn)行工況，具體計(jì)算作用在電池系統(tǒng)總成上的風(fēng)速。

1.3 網(wǎng)格模型

三元鋰電池系統(tǒng)總成的物理模型形成后，基于處理軟件（ICEM-CFD）對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計(jì)算域是選定電池包殼體、進(jìn)風(fēng)口以及出風(fēng)口圍成的區(qū)域。電池包內(nèi)部網(wǎng)格模型如圖1所示，面網(wǎng)格數(shù)為9.8×105，體網(wǎng)格數(shù)為1.71×106，進(jìn)口邊界采用質(zhì)量流量入口，出口邊界采用壓力出口，入口邊界和出口邊界延長(zhǎng)300 mm。

圖1 電池包內(nèi)部網(wǎng)格模型

1.4 模擬分析

三元鋰電池系統(tǒng)總成的邊界條件設(shè)定如下：進(jìn)風(fēng)口邊界運(yùn)用質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量為0.021 55 kg/s；出風(fēng)口邊界運(yùn)用壓力出口，壓力為0.5 MPa；其余邊界為固體壁面邊界條件。

模擬計(jì)算中作出如下假設(shè)：流動(dòng)過程僅考慮已穩(wěn)定后的狀態(tài)；過濾過程視為常溫下的流動(dòng)；忽略顆粒物對(duì)模擬的影響；忽略重力對(duì)模擬的影響。

計(jì)算基于不可壓縮流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，運(yùn)用求解壓力耦合方程組的半隱式方法進(jìn)行離散方程的求解。此文，動(dòng)量方程與連續(xù)性方程的收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)均取值0.000 1。

2 仿真結(jié)果及分析

電池包內(nèi)部管道速度分布云圖，如圖2所示。上部風(fēng)速較下部風(fēng)速大；對(duì)應(yīng)橫向部分離中央垂直通風(fēng)管道越遠(yuǎn)，風(fēng)速越大。

圖2 電池包內(nèi)部管道速度分布云圖

由圖2可知，電池包左右流量分配對(duì)稱；需重點(diǎn)關(guān)注對(duì)應(yīng)橫向部分靠近中央垂直通風(fēng)管道的電池組，以防止高溫；內(nèi)部通風(fēng)管道結(jié)構(gòu)存在大量能量損失，有待優(yōu)化。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及流場(chǎng)仿真

根據(jù)模擬結(jié)果，調(diào)整電池包內(nèi)部通風(fēng)管道結(jié)構(gòu)，分別優(yōu)化中央通風(fēng)管道出口和三個(gè)同風(fēng)分支管道出口，以保證各分支管道出口放入流量保持在相對(duì)一致的水平。

改變中央管道與支管的連接口大小，并進(jìn)行了10輪優(yōu)化。表1為部分統(tǒng)計(jì)表，已將圖標(biāo)重點(diǎn)額流量乘以10 000，出風(fēng)口的流量接近平均流量6.6，滿足要求。

圖3為電池包內(nèi)部通風(fēng)管道經(jīng)過10輪優(yōu)化后的全局流線圖?？芍?，各出口流量分配已基本保持一致，第二排管道靠近中央的左右第一個(gè)管道（編號(hào)211出口、編號(hào)221出口）流量已大幅提升至0.000 5 kg/s，接近平均值0.000 66 kg/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 10輪優(yōu)化的各出風(fēng)口流量統(tǒng)計(jì)表

圖3 全局流線俯視圖

4 結(jié) 論

采用CFD方法對(duì)電池包內(nèi)部通風(fēng)管道流場(chǎng)進(jìn)行建模和數(shù)值分析，同時(shí)仿真了多種參數(shù)的分布云圖和全局流線圖。分析流場(chǎng)的速度云圖，提出了使電池包流場(chǎng)均勻的優(yōu)化方案。通過電池包內(nèi)部通風(fēng)管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，各出風(fēng)口流量分配已基本保持一致，接近平均值0.000 66 kg/s，滿足設(shè)計(jì)要求，減少了能量損失，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。