鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理仿真分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

摘 要：為了拓展鋰離子動(dòng)力電池的操作溫度范圍并確保其性能穩(wěn)定，采用了先進(jìn)的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文聚焦于運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真技術(shù)，深入探究了電池單元在變化工況下的熱產(chǎn)生特性、模組級(jí)的溫度分布情況以及在加熱與冷卻過(guò)程中的表現(xiàn)。通過(guò)對(duì)多種散熱架構(gòu)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較，得以精進(jìn)電池系統(tǒng)的熱交換機(jī)制。實(shí)際車(chē)輛的冷卻測(cè)試結(jié)果證實(shí)，優(yōu)化后的熱管理方案能夠有效維持電池在適宜的工作溫度區(qū)間內(nèi)，從而保證了電池的效能和耐久性。

關(guān)鍵詞：熱管理 動(dòng)力電池 仿真分析

隨著新能源汽車(chē)行業(yè)的迅猛增長(zhǎng)，電動(dòng)車(chē)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，對(duì)車(chē)輛性能的標(biāo)準(zhǔn)也隨之提升。在電池系統(tǒng)的性能指標(biāo)中，人們尤為關(guān)注其耐用性、安全性及實(shí)用性，而這些指標(biāo)與電池的熱管理問(wèn)題密切相關(guān)。純電動(dòng)車(chē)的核心在于其動(dòng)力電池技術(shù)，動(dòng)力電池的效能及其使用壽命對(duì)環(huán)境溫度極為敏感，其理想的工作溫度范圍應(yīng)控制在25℃至45℃之間。在充電與放電過(guò)程中，電池會(huì)自然發(fā)熱，導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高。這種溫度的上升會(huì)直接影響電池的多項(xiàng)性能指標(biāo)，包括內(nèi)阻、電壓、狀態(tài)-of-電荷（SOC）、實(shí)際可用容量、充放電效率以及電池的整體壽命。純電動(dòng)車(chē)的核心在于其動(dòng)力電池技術(shù)，而要推動(dòng)純電動(dòng)車(chē)的發(fā)展，動(dòng)力電池的性能至關(guān)重要。動(dòng)力電池的效能及其使用壽命對(duì)環(huán)境溫度極為敏感，其理想的工作溫度范圍應(yīng)控制在25℃至45℃之間。在充電與放電過(guò)程中電池會(huì)自然發(fā)熱，導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高。這種溫度的上升會(huì)直接影響電池的多項(xiàng)性能指標(biāo)，包括內(nèi)阻、電壓、狀態(tài)-of-電荷（SOC）、實(shí)際可用容量、充放電效率以及電池的整體壽命。特別是在極端條件下，鋰離子電池若長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，不僅會(huì)加速老化，埋下安全隱患，導(dǎo)致事故發(fā)生。

1 模組及 PACK 的成組方式

基于殼體邊界約束并力求電池包空間效率最大化的原則下，采用了四種創(chuàng)新性模組架構(gòu)。具體而言3P16S及其變體3P16S-1，還有3P6S與3P6S-1，這兩組模組呈現(xiàn)鏡像對(duì)稱布局。于后側(cè)邊緣，兩個(gè)3P16S模組被安置；在主開(kāi)關(guān)裝置（MSD）下方的后中區(qū)域，則配置了一個(gè)3P14S模組[1]。電池包中心區(qū)域密集排列了五個(gè) 3P6S 模組，而最前端則獨(dú)占一個(gè)3P9S模組。整體上電池包由3P85S構(gòu)成，其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)排布請(qǐng)參閱圖1。

2 電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件溫度場(chǎng)分析

2.1 單體和模組的溫度場(chǎng)分析

通過(guò)應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析，對(duì)單體電池在變化工作條件下的熱行為進(jìn)行了深入探究，具體結(jié)果參見(jiàn)圖2。觀察發(fā)現(xiàn)電池芯中心區(qū)域展現(xiàn)出了顯著的高溫特征，與周邊區(qū)域形成鮮明對(duì)比，溫度梯度分布清晰可見(jiàn)。

借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，對(duì)電池模組的溫度場(chǎng)特性展開(kāi)了細(xì)致研究，詳情請(qǐng)參閱圖3。聚焦于模組內(nèi)部熱傳導(dǎo)機(jī)制，特別針對(duì)3P9S與3P16S兩種標(biāo)準(zhǔn)配置的模組，實(shí)施了PTC加熱仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)定加熱時(shí)長(zhǎng)為1800秒，環(huán)境基準(zhǔn)溫度定為0℃。PTC元件以每分鐘0.35℃的升溫速率，分別對(duì)兩類(lèi)模組施加熱負(fù)荷[2]。圖3所示，在1800秒加熱后，3P9S模組的電池表面溫差為5℃左右，高溫區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)明顯改變。對(duì)于3P16S模組，同樣條件下電池表面最高溫差約9℃左右，高溫區(qū)域同樣沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化。

參照?qǐng)D4的電池包結(jié)構(gòu)，選取具有代表性的單一模組進(jìn)行熱管理仿真測(cè)試。單體電池的產(chǎn)熱率為 0.5W，入口空氣溫度設(shè)定為 28 攝氏度，PTC 元件與金屬殼體實(shí)現(xiàn)熱接觸以促進(jìn)散熱[3]。仿真結(jié)果揭示，隔板中心區(qū)域有熱量聚集現(xiàn)象，但電芯通過(guò)鋁板的熱傳導(dǎo)運(yùn)作正常；PTC構(gòu)件緊挨著支架邊沿的充分接觸面有效地實(shí)現(xiàn)了熱量的均勻分布。

2.2 導(dǎo)熱鋁板傳熱分析

鑒于鋁板與電池單元間夾層的PET薄膜具有較低的熱導(dǎo)性，其確切的熱傳輸效率不明，故通過(guò)仿真分析，對(duì)比了含與不含PET膜情況下的熱傳導(dǎo)性能。PET膜的存在與否對(duì)溫度梯度的影響僅約0.2攝氏度，差異微乎其微。

3 電池包熱仿真

基于原有的箱體架構(gòu)，充分考量?jī)?nèi)部模塊的實(shí)際幾何形態(tài)及熱仿真所需模型的特定要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精簡(jiǎn)，剔除了諸如螺絲、螺母、安裝孔和加固肋條等細(xì)小部件，從而構(gòu)建出適于數(shù)值仿真的簡(jiǎn)化模型[4]。利用電池系統(tǒng)中可利用的空余空間，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了散熱架構(gòu)，并提出了多種結(jié)構(gòu)方案。通過(guò)對(duì)比分析這些方案在熱仿真中的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，評(píng)估了各設(shè)計(jì)的合理性及其潛在局限性。

3.1 電池包原始風(fēng)道結(jié)構(gòu)熱仿真

原始風(fēng)道設(shè)計(jì)下的電池包熱效仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示，電池體上部表層的溫差大約在10℃左右，且末端模組側(cè)邊溫度偏高。此現(xiàn)象主要?dú)w咎于末端模組密集排列，導(dǎo)致熱量積聚，引起顯著的溫差。經(jīng)由分段仿真與整體電池包的綜合分析，確認(rèn)了模組整體表面溫差確實(shí)接近10℃。由于風(fēng)流被引導(dǎo)至電池包的中心區(qū)域，中心的3P6S模組溫度相對(duì)較低。而位于后端的3P16S/3P14S模組，由于高度差異導(dǎo)致熱量在中間區(qū)域積聚，形成了高溫區(qū)域。模組表面的流場(chǎng)分布經(jīng)過(guò)導(dǎo)流后表現(xiàn)較為理想，但溫度差異仍然顯著。當(dāng)前的散熱設(shè)計(jì)存在不足，建議對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整或重新考慮優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)的新方案。

3.2 電池包風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后熱仿真

為了對(duì)比原先基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果，需要探索和分析更新后的通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，以對(duì)照初始概念的性能表現(xiàn)。通過(guò)運(yùn)用上蓋的非標(biāo)準(zhǔn)形狀，引導(dǎo)氣流至3P6S模組的中心區(qū)域，隨后借助兩側(cè)八字型導(dǎo)流板與前部約100毫米處的擋風(fēng)板，構(gòu)建出一個(gè)三角狀的氣流導(dǎo)向通道[5]。在高溫模組上方增設(shè)擋板，促使部分氣流形成旋渦并回返至電池包前端，借此實(shí)現(xiàn)整體溫差的均衡調(diào)控。中間部位的特殊構(gòu)造構(gòu)筑了一條保護(hù)風(fēng)道，而末端的大型模組頂部則全面封閉，進(jìn)而生成了雙側(cè)風(fēng)道。所有風(fēng)道均采取保溫措施，確保外界冷風(fēng)導(dǎo)入后不會(huì)被前段箱體截留換熱，最終在出口處仍能維持足夠的空調(diào)冷風(fēng)效力[6]。優(yōu)化后的風(fēng)道結(jié)構(gòu)詳情，請(qǐng)參見(jiàn)圖6。

根據(jù)新風(fēng)道設(shè)計(jì)，采用與先前一致的參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果呈現(xiàn)于圖7，展示了電池組內(nèi)部的溫度分布詳情。從圖中觀察，最高溫度集中于后端高模組兩側(cè)，達(dá)到約40℃；而最低溫度出現(xiàn)在上部模組表面，約為25℃，整體上表面溫差控制在15℃左右。由于熱量在出口處匯聚，最大與最小溫度之差保持在10℃。相比于之前的數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的風(fēng)道，使得模組表面的溫度產(chǎn)生大幅度的下降；同時(shí)對(duì)空氣粒子軌跡圖進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化后的風(fēng)道最直觀的效果是，在原本的高溫區(qū)域中，空氣粒子的分布更加均勻，并沒(méi)有出現(xiàn)粒子分布差異過(guò)大的情況；這是由于改進(jìn)后的風(fēng)道減少了風(fēng)的阻力，增強(qiáng)了散熱性[7]。

4 總結(jié)

本文運(yùn)用CFD仿真工具，對(duì)純電動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力電池包展開(kāi)了全面的熱行為仿真研究。通過(guò)細(xì)致考察單體電池、電池模組以及導(dǎo)熱鋁板的熱傳導(dǎo)特性與溫度分布，結(jié)合對(duì)不同構(gòu)型電池包的熱效仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)改良。目標(biāo)在于確保電池包內(nèi)每一電池單元均處于適宜的工作溫度區(qū)間，同時(shí)促進(jìn)電池及其模組間的溫度均衡，以保障電池系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)作。

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