纯 电 动 水 冷 电 池 冷 却 模 拟 策 略 研 究 裴 建 权 ( 中 国 第 一 汽 车 股 份 有 限 公 司 技 术 中 心 ) (Tel:043185788816, Email:peijianquan@rdc.faw.com) 摘 要 本 文 以 纯 电 动 车 锂 电 池 为 研 究 对 象, 利 用 仿 真 软 件 Star-ccm+ 对 水 冷 电 池 冷 却 系 统 进 行 CFD 仿 真 分 析 具 体 介 绍 了 水 冷 电 池 几 何 模 型 简 化 处 理 方 法, 并 利 用 简 化 后 模 型 对 水 冷 电 池 进 行 流 场 和 温 度 场 分 析 分 别 研 究 了 瞬 时 热 边 界 和 等 效 热 边 界 下 电 芯 温 度 场, 并 比 较 两 种 分 析 策 略 优 劣, 为 水 冷 电 池 冷 却 性 能 模 拟 评 价 提 供 参 考 关 键 词 : 纯 电 动 车 锂 电 池 水 冷 数 值 模 拟 热 管 理 1 前 言 当 今 世 界, 日 益 严 重 的 能 源 危 机 和 环 境 污 染 给 汽 车 制 造 业 带 来 了 十 分 严 峻 的 挑 战 为 了 应 对 这 一 危 机, 各 国 政 府 和 汽 车 企 业 都 高 度 重 视 自 身 的 新 能 源 汽 车 的 开 发 [1] 其 中, 纯 电 动 汽 车 (EV,Electic Vehicle) 由 于 其 在 能 量 效 率 和 减 少 排 放 上 的 突 出 特 点, 而 越 来 越 得 到 世 界 范 围 内 的 普 遍 关 注 [2] 目 前, 各 大 主 流 汽 车 厂 商 及 研 究 机 构 纷 纷 投 入 巨 额 财 力 人 力 支 持 纯 电 动 汽 车 产 品 开 发 电 池 电 机 电 控 是 电 动 汽 车 发 展 的 三 大 关 键 技 术 其 中 电 池 技 术 的 滞 后 一 直 制 约 电 动 车 的 发 展 推 广 电 池 作 为 纯 电 动 汽 车 上 的 重 要 动 力 输 出 部 件, 其 性 能 的 好 坏 直 接 决 定 了 整 车 的 动 力 性 能 目 前, 汽 车 动 力 电 池 主 要 有 锂 电 池 和 镍 氢 电 池 两 种, 锂 电 池 因 自 放 电 率 低 循 环 寿 命 长 比 能 大 等 优 点 逐 渐 成 为 电 动 汽 车 的 首 选 动 力 蓄 电 池 [3-4] 由 于 锂 电 池 对 温 度 变 化 比 较 敏 感, 工 作 条 件 对 自 身 温 度 要 求 高, 所 以 锂 电 池 的 热 管 理 好 坏 显 得 极 为 重 要 汽 车 在 行 驶 过 程 中 伴 随 着 复 杂 的 道 路 工 况, 电 池 在 放 电 过 程 中 产 生 大 量 的 余 热, 电 池 热 管 理 (BTM,Battery Thermal Management) 的 目 的 主 要 就 是 研 究 如 何 将 这 些 废 热 及 时 有 效 地 消 除, 从 而 保 证 电 池 能 够 持 续 健 康 的 工 作 运 行 使 用 计 算 机 仿 真 技 术 对 电 池 冷 却 系 统 进 行 分 析 评 估 已 成 为 电 池 热 管 理 的 一 个 重 要 途 径 目 前 国 内 对 水 冷 电 池 模 拟 评 价 研 究 较 晚, 冷 却 评 价 标 准 尚 不 成 熟, 因 此 对 水 冷 电 池 冷 却 模 拟 分 析 技 术 的 研 究 就 显 得 尤 为 重 要 本 文 依 托 某 款 纯 电 动 车 水 冷 电 池 开 发 项 目, 使 用 CFD 分 析 软 件 Star-ccm+ 对 电 池 冷 却 通 道 流 场 及 电 芯 温 度 场 分 析 研 究 具 体 详 细 介 绍 了 水 冷 电 池 模 型 简 化 处 理 方 法, 并 使 电 池 在 US06 工 况 运 行 下 对 芯 体 流 场 温 度 场 进 行 分 析 其 中 研 究 了 两 种 不 同 电 池 热 边 界 ( 瞬 时 热 边 界 和 等 效 热 边 界 ) 条 件 下 电 芯 温 度 场, 并 对 两 种 模 拟 方 法 进 行 比 较, 并 预 测 了 一 下 未 来 电 池 模 拟 分 析 技 术 发 展 趋 势 2 计 算 数 学 模 型 2.1 电 芯 生 热 模 型 电 芯 工 作 时 的 发 热 量 主 要 由 极 化 热 反 应 热 副 反 应 热 和 焦 耳 热 四 部 分 组 成 对 于 锂 离 子 电 池 来 说, 副 反 应 生 成 热 量 极 小, 因 此 可 以 忽 略 不 计, 电 池 内 部 反 应 热 量 只 需 考 虑 剩 下 三 部 分 热 量 [5] 电 池 充 放 电 时 的 反 应 热 Q1 可 以 表 示 为 : Q1=0.0104QI (1) 式 中 :Q 为 化 学 反 应 过 程 正 负 极 产 热 量 的 代 数 和, 单 位 KJ/mol;I 为 放 电 电 流, 单 位 A. 电 芯 内 欧 姆 内 阻 Re 产 生 的 焦 耳 热 Q2: Q2=I 2 Re (2) 1
电 芯 内 极 化 内 阻 Rp 产 生 的 极 化 热 Q3: Q3=I 2 Rp (3) 当 电 池 工 作 温 度 在 70~80 时, 反 应 热 占 绝 大 比 例 而 锂 离 子 正 常 工 作 温 度 下 焦 耳 热 和 极 化 热 占 绝 大 比 例, 故 本 文 计 算 电 芯 生 热 主 要 考 虑 焦 耳 热 和 极 化 热 影 响 2.2 电 芯 散 热 模 型 在 对 电 芯 散 热 模 型 进 行 研 究 前, 首 先 应 对 电 芯 散 热 进 行 一 些 假 设 处 理 假 设 电 芯 内 部 密 度 均 匀 比 热 均 匀 ; 热 传 导 系 统 在 同 一 方 向 上 相 等, 电 池 内 部 充 放 电 电 流 密 度 均 匀 [6] 式 中 : z 2 2 2 C Q P t x 2 y 2 z 2 z x y z (4) Q 为 生 热 量 ; 为 传 热 介 质 密 度 ; y 比 热 ;t 为 时 间 ; 为 温 度 值 3 几 何 模 型 及 边 界 条 件 C 为 x z 为 电 芯 沿 X Y Z 方 向 上 的 传 热 系 数 ; P 3.1 原 始 几 何 模 型 本 文 以 某 款 EV 纯 电 动 车 动 力 电 池 为 研 究 对 象, 整 体 结 构 如 图 1 所 示 按 功 能 分 可 划 分 成 三 大 结 构 组 件 : 发 热 组 件 传 热 组 件 和 外 围 结 构 支 撑 组 件 发 热 组 件 主 要 由 电 池 发 热 芯 体 及 芯 体 间 膨 胀 泡 棉 ( 泡 棉 本 身 并 不 发 热, 主 要 起 缓 冲 作 用 ) 组 成 发 热 芯 体 分 成 十 个 电 池 模 块 组, 八 组 横 置 两 组 纵 置 布 置 传 热 组 件 主 要 包 含 芯 体 间 传 热 铝 板 冷 却 板 连 接 胶 ( 连 接 传 热 铝 板 和 冷 却 板 ) 和 进 出 冷 却 水 管 其 中 冷 却 板 内 部 嵌 置 冷 却 水 套, 冷 却 水 套 内 的 冷 却 液 经 对 流 换 热 将 传 入 冷 却 板 上 的 热 量 带 出 冷 却 板 结 构 见 图 2 所 示 图 1 动 力 电 池 总 成 图 图 2 冷 却 板 结 构 图 ( 深 灰 色 为 内 部 水 套 ) 2
3.2 模 型 简 化 处 理 方 法 3.2.1 电 池 芯 体 模 型 简 化 本 文 采 用 的 动 力 电 池 是 锂 离 子 电 池, 锂 离 子 电 池 内 部 结 构 复 杂, 直 接 建 模 困 难, 便 于 开 展 CFD 计 算 分 析, 需 要 对 电 池 进 行 简 化 处 理 这 里 将 电 池 芯 体 简 化 成 均 匀 发 热 的 长 方 体 模 型 简 化 后 的 电 池 芯 体 三 维 模 型 如 图 3 所 示 图 3 简 化 后 电 池 芯 体 模 型 单 体 电 芯 简 化 成 长 0.236m 宽 0.212m 厚 0.0074m 的 长 方 体, 整 个 动 力 电 池 由 192 个 单 体 电 芯 组 成 如 图 3, 其 中 112 个 单 体 电 芯 分 成 八 组 横 置,80 个 单 体 电 芯 分 成 两 组 纵 置 3.2.2 冷 却 系 统 模 型 简 化 本 方 案 电 芯 发 热 主 要 通 过 导 热 和 对 流 换 热 方 式 由 冷 却 液 流 动 带 出 因 此 整 个 动 力 电 池 冷 却 需 要 考 虑 的 部 件 包 括 : 电 芯 间 导 热 铝 板 冷 却 板 连 接 导 热 铝 板 和 冷 却 板 之 间 连 接 胶 以 及 芯 体 间 膨 胀 泡 棉, 其 中 连 接 胶 及 膨 胀 泡 棉 简 化 成 均 质 长 方 体 模 型 发 热 芯 体 外 围 框 架 向 外 散 发 的 热 量 相 对 较 小, 这 里 忽 略 不 计 整 个 冷 却 系 统 简 化 模 型 如 图 4 所 示 图 4 冷 却 系 统 简 化 模 型 3.3 网 格 划 分 及 边 界 条 件 使 用 star-ccm+ 软 件 进 行 网 格 划 分 及 模 拟 计 算 固 体 模 型 采 用 六 面 体 网 格, 流 体 模 型 采 用 多 面 体 网 格 整 体 网 格 总 数 达 1640 万 流 动 为 不 可 压 缩 湍 流, 采 用 标 准 K-Epslion 模 型 模 拟 湍 流 流 动, 壁 面 采 用 标 准 壁 面 函 数 来 处 理 电 芯 看 成 各 向 异 性 的 均 匀 热 传 导 系 数 来 处 理, 并 将 电 池 简 化 为 均 匀 发 热 体, 单 个 电 芯 质 量 为 0.85kg, 电 芯 比 热 容 为 1020J/kg, 冷 却 电 池 初 始 温 度 30 电 芯 热 传 导 系 数 为 沿 厚 度 方 向 1W/mk, 垂 直 厚 度 方 向 两 方 向 上 为 25W/mk 冷 却 液 采 用 体 积 分 数 50% 乙 二 醇 50% 水 混 合 液, 入 口 流 量 为 6.5L/min( 根 据 电 池 发 热 总 量 经 验 3
估 算 ), 进 水 温 度 25 电 池 发 热 评 价 工 况 采 用 US06 运 行 工 况 其 它 模 型 参 数 根 据 厂 商 提 供 获 得 4 CFD 仿 真 分 析 上 节 我 们 重 点 阐 述 了 水 冷 电 池 冷 却 系 统 模 型 简 化 及 边 界 条 件 处 理 方 法, 下 面 主 要 对 电 池 冷 却 系 统 进 行 CFD 模 拟 分 析 用 该 模 型 来 模 拟 车 辆 在 一 个 US06 循 环 工 况 (600s) 内 电 池 生 热 情 况, 试 通 过 仿 真 手 段 评 价 冷 却 系 统 内 流 动 能 力, 以 及 鉴 别 车 辆 在 运 行 一 个 US06 工 况 期 间, 电 池 冷 却 能 否 满 足 厂 商 设 计 要 求 采 用 64 核 CUP 并 行 计 算, 计 算 60 小 时, 结 果 如 下 : 4.1 冷 却 通 路 流 场 分 析 图 5 图 6 为 冷 却 液 流 速 和 压 降 分 析 结 果 图 5 冷 却 液 通 道 流 速 分 析 图 6 冷 却 液 通 道 压 降 分 析 从 图 中 可 以 看 到, 除 冷 却 板 a 除 外, 冷 却 液 在 冷 却 板 内 的 平 均 流 速 在 0.3m/s 左 右 冷 却 液 在 整 个 冷 却 回 路 流 动 较 为 顺 畅, 没 有 出 现 较 大 范 围 流 动 死 区 冷 却 通 道 内 流 场 分 析 结 果 可 为 后 续 电 池 冷 却 均 匀 性 评 估 及 结 构 改 进 提 供 依 据 整 个 冷 却 通 道 进 出 口 总 阻 力 为 25480Pa, 由 此 可 以 判 断, 后 续 在 冷 却 水 泵 匹 配 上 至 少 需 要 水 泵 在 冷 却 回 路 上 能 够 施 加 2.5KPa 以 上 的 压 力 才 能 够 满 足 流 量 要 求 4.2 电 芯 瞬 时 热 边 界 下 温 度 场 分 析 为 了 更 真 实 模 拟 电 池 在 US06 道 路 工 况 下 芯 体 发 热 情 况, 更 准 确 监 视 电 芯 时 时 温 度 变 化, 进 一 步 提 升 模 拟 精 度 水 平, 本 文 尝 试 将 车 辆 在 US06 工 况 运 行 下 电 芯 瞬 时 发 热 功 率 作 为 芯 体 热 边 界 单 个 电 4
芯 US06 工 况 下 瞬 时 生 热 功 率 曲 线 见 下 图 7 图 7 单 个 电 芯 生 热 功 率 ( 一 个 循 环 工 况 600s) 计 算 采 用 瞬 态 求 解 器, 时 间 步 长 设 置 为 0.25s, 采 用 64 核 CUP 并 行 求 解, 受 计 算 机 硬 件 及 时 间 限 制, 计 算 一 个 US06 循 环 工 况 (600s) 下 电 池 温 度 结 果 如 下 ( 计 算 耗 费 60 小 时 ): 图 8 为 电 芯 在 一 个 工 作 循 环 结 束 时 电 芯 整 体 温 度 分 布 云 图 图 8 电 芯 整 体 温 度 分 布 云 图 ( 瞬 态 600s) 从 图 中 可 清 楚 的 看 到 电 池 芯 体 整 体 温 度 呈 梯 度 变 化, 靠 近 冷 却 板 一 侧 导 热 环 境 好, 电 芯 温 升 较 小, 相 反 远 离 冷 却 板 一 侧 电 芯 温 升 较 高 电 芯 温 差 主 要 是 两 侧 冷 却 差 异 造 成 的 从 电 芯 温 度 分 布 结 果 我 们 也 可 以 做 出 这 样 一 个 判 断, 这 种 单 侧 冷 却 结 构 的 导 热 铝 片 不 易 做 的 太 长 图 9 电 芯 最 大 温 度 变 化 曲 线 5
图 10 电 芯 最 大 温 差 变 化 曲 线 图 9 图 10 是 电 芯 最 大 温 度 及 最 大 温 差 监 视 曲 线 由 图 可 知, 电 芯 温 度 随 运 行 工 况 时 时 变 化, 瞬 态 模 拟 能 较 好 地 反 映 出 芯 体 工 作 时 温 度 变 化 情 况 当 电 芯 在 一 个 US06 工 作 循 环 (600s) 结 束 时, 电 芯 最 高 温 度 升 至 32.06 ( 允 许 限 值 45 ), 芯 体 整 体 最 大 温 差 3.43 ( 允 许 限 值 5 ) 通 过 计 算 可 知, 在 一 个 US06 工 况 时 间 内, 电 芯 能 够 在 正 常 温 度 范 围 内 工 作 前 面 通 过 瞬 时 热 边 界 下 模 拟 计 算, 我 们 监 视 了 电 芯 在 一 个 工 况 下 温 度 变 化, 从 结 果 上 更 能 比 较 真 实 反 映 出 一 个 US06 工 况 运 行 下 电 芯 发 热 温 升 变 化 情 况 方 便 后 续 与 电 池 道 路 试 验 数 据 进 行 对 比 研 究 然 而, 需 要 重 点 说 明 的 是, 目 前 由 于 受 计 算 机 硬 件 及 计 算 周 期 限 值, 前 面 瞬 态 计 算 只 考 虑 了 一 个 US06 工 况, 实 际 上 根 据 每 个 US06 循 环 电 池 耗 电 量, 电 池 总 电 量 可 供 电 池 工 作 多 个 循 环 如 果 要 更 准 确 评 估 电 池 温 度 可 靠 性 则 需 要 分 析 电 池 在 整 个 US06 工 况 循 环 放 电 过 程 ( 从 充 满 电 到 零 电 量 ) 中 的 温 升 情 况 4.3 电 芯 等 效 热 边 界 下 温 度 场 分 析 为 了 评 估 电 池 在 整 个 US06 工 况 循 环 工 作 时 的 温 度 可 靠 性, 可 将 电 芯 瞬 时 发 热 功 率 折 算 成 稳 态 下 的 平 均 等 效 发 热 功 率, 通 过 稳 态 温 度 场 计 算, 评 价 电 池 工 作 温 度 是 否 合 格 本 文 折 算 后 电 芯 平 均 等 效 发 热 功 率 为 3.367W 图 11 为 电 芯 稳 态 温 度 分 布 云 图 图 11 电 芯 整 体 温 度 分 布 云 图 ( 稳 态 ) 从 图 中 可 以 看 到, 电 芯 整 体 温 度 分 布 并 不 均 匀, 其 中 两 组 纵 置 电 池 组 由 于 最 先 受 到 冷 却, 整 体 温 度 低 ; 相 反, 另 外 八 组 横 置 电 池 组 最 后 被 冷 却, 整 体 温 度 高 此 外, 由 于 电 池 组 采 用 一 侧 冷 却, 6
每 组 电 芯 自 身 也 有 5 左 右 的 温 差 稳 态 计 算 平 衡 后, 电 芯 整 体 最 大 温 度 达 到 40.17 ( 允 许 值 45 ), 电 芯 整 体 最 大 温 差 高 达 10.44 ( 超 出 允 许 5 ), 电 芯 整 体 冷 却 不 均 匀 从 分 析 结 果 可 知, 电 池 冷 却 系 统 需 要 改 进, 后 续 可 以 通 过 调 整 冷 却 流 量 或 冷 却 板 结 构 布 置 等 措 施 来 优 化 4.4 两 种 热 边 界 模 拟 分 析 比 较 前 面 我 们 分 别 用 瞬 时 热 边 界 和 等 效 热 边 界 对 电 芯 温 度 场 进 行 分 析 本 节 将 比 较 一 下 两 种 分 析 方 法 的 优 劣 采 用 瞬 时 热 边 界 分 析 的 优 点 是 能 够 通 过 计 算 得 到 真 实 工 作 每 个 瞬 时 下 的 电 芯 温 度, 便 于 与 试 验 数 据 对 比 分 析, 缺 点 是 计 算 量 太 大, 计 算 周 期 冗 长, 当 前 计 算 机 计 算 速 度 往 往 不 能 满 足 设 计 开 发 需 求 ; 采 用 等 效 热 边 界 分 析 的 优 势 是 计 算 周 期 短, 便 于 结 构 设 计 和 改 进, 缺 点 是 等 效 的 发 热 功 率 毕 竟 是 一 个 估 计 值, 与 真 实 电 芯 发 热 存 在 一 定 误 差, 需 要 后 期 试 验 标 定 来 评 估 修 正 二 种 分 析 方 法 各 有 利 弊, 目 前 采 用 等 效 发 热 功 率 计 算 评 估 更 为 普 遍, 不 过 随 着 计 算 机 技 术 的 不 断 发 展, 相 信 在 不 久 的 将 来, 采 用 瞬 时 热 边 界 进 行 电 池 温 度 场 评 价 一 定 会 成 为 未 来 电 池 热 管 理 技 术 的 一 个 必 然 趋 势 5 结 论 本 文 主 要 通 过 CFD 仿 真 技 术 对 EV 水 冷 电 池 冷 却 进 行 分 析 具 体 如 下 : 1) 研 究 了 水 冷 电 池 冷 却 特 点, 较 为 详 细 地 介 绍 了 水 冷 电 池 CFD 分 析 前 期 模 型 处 理 方 法 2) 分 析 了 水 冷 电 池 冷 却 通 道 流 动 性 能, 流 场 结 果 表 明 冷 却 通 道 内 流 动 较 为 顺 畅, 分 析 结 果 为 后 续 结 构 设 计 优 化 提 供 支 持 3) 分 别 研 究 了 两 种 热 边 界 ( 瞬 时 热 边 界 和 等 效 热 边 界 ) 条 件 下 电 芯 温 升 情 况, 并 对 两 种 模 拟 方 法 进 行 比 较 研 究 表 明, 采 用 瞬 时 热 边 界 分 析 电 芯 温 度 变 化 更 真 实, 便 于 监 控 每 个 工 作 时 刻 下 电 池 的 温 度 值, 但 由 于 分 析 采 用 瞬 态 求 解 器, 计 算 量 比 较 大, 计 算 周 期 长, 不 利 于 电 池 冷 却 系 统 结 构 设 计 优 化 ; 采 用 等 效 热 边 界 分 析 采 用 的 是 稳 态 求 解, 计 算 周 期 短, 便 于 结 构 设 计 改 进 但 不 能 准 确 反 应 每 一 时 刻 电 芯 温 度 真 实 值, 且 等 效 发 热 量 与 实 际 发 热 量 必 然 存 在 一 定 误 差, 需 要 后 期 试 验 标 定 来 评 估 修 正 4) 随 着 计 算 机 硬 件 技 术 的 提 升, 采 用 瞬 时 热 边 界 对 电 池 温 度 评 估 是 必 然 趋 势 5) 本 文 没 有 对 仿 真 结 果 进 行 试 验 验 证, 后 续 应 根 据 整 车 道 路 试 验 对 模 拟 结 果 进 行 校 核 验 证 参 考 文 献 [1] 杨 亚 联, 张 昕, 等. 混 合 动 力 汽 车 用 镍 氢 电 池 的 散 热 结 构 分 析 [J]. 重 庆 大 学 学 报,2009,32( 4) : 415-417. [2] JAURA A K,GRABOWSKI A,JIH E. Efficient Cooling and Package of Traction Battery in Hybrid Electric Vehicle[C].Proceedings of EVS-18,2001. [3] KENNEDY B, PATTERSON D, CAMILLERI S. Use of lithiumionbatteries in electric vehicles[j]. Journal of Power Sources, 2000, 90 (2):156-162.c [4] VETTER J, NOVAK P, WAGNER M R, et al. Ageing mechanisms in lithium-ion batteries[j]. Journal of Power Sources, 2005,147(1/2):269-281. [5] Noboru Sato.Thermal behavior analysis of lithiumion batteries for electric and hybrid vehicles[j]. Journal of Power Sources,2001,99(1-2):70-77. [6] Chen S C,Wang Y Y,Wan C C. Thermal Analysis of Spirally Wound Lithium Batteries[J]. Journal of the Electrochemical Soci ety,2006,153( 4) : A637 - A648. 7