基于STAR-CCM+的电动车液冷动力电池包热管理仿真分析

王恒宇 罗棕贵 夏建新

摘 要：为提高动力电池包的温度一致性，基于STAR-CCM+对其液冷板流场及电池包温度场进行计算流体力学仿真分析。通过优化液冷板各汇流管管径，减小了各板间的流量偏差，使得最大流量偏差为9%。进而分析电池包温度场，结果表明，模组间最大温差为2.2℃，优化汇流管管径可以有效提高电池包的温度一致性。

关键词：动力电池;液冷;热管理;温度场

中图分类号：O646.21  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）13-147-03

Simulation of Thermal Management of Liquid-cooled Power Battery Pack

for Electric Vehicle Based on STAR-CCM+

Wang Hengyu， Luo Zonggui， Xia Jianxin

（ Modern Automotive Co.， Ltd.， Shanghai 201100 ）

Abstract： In order to improve the temperature consistency of power battery packs， the computational fluid dynamics simulation analysis of the liquid-cooled plate flow field and the battery pack temperature field were performed based on STAR-CCM+. By optimizing the diameter of each manifold of the liquid cooling plate， the flow deviation between the plates is reduced， so that the maximum flow deviation is 9%. Furthermore， the temperature field of the battery pack is analyzed. The results show that the maximum temperature difference between the modules is 2.2°C. Optimizing the diameter of the manifold can effectively improve the temperature consistency of the battery pack.

Keywords： Power battery; Liquid cooling; Thermal management; Temperature field

CLC NO.： O646.21  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）13-147-03

前言

我国目前新能源汽车保有量为350万辆，在未来十到二十年将逐步禁售燃油车，新能源汽车技术的研究与升级显得尤为重要。而当前动力电池性能尚不能满足行业发展的需求，对于电动汽车而言，如何精准地控制电池温度是电池热管理设计的重要指标，电池包内部模组需要在特定的电化学工作的最佳工作温度范围内进行充放电工作，过高或过低的温度均会对电池产生不良影响，过高的电池温度会缩短电池寿命，甚至导致电池泄露引发火灾、爆炸危及人身安全，过低的温度会降低电池活性，使电池无法正常充放电[1，2]。因此，研究动力电池包热管理性能，保证模组的工作温度始终在合理的范围内，对于提高动力电池的性能以及电动车的续航里程与安全性具有重要意义。

为了提高动力电池性能，越来越多的国内外学者投入到电池热管理性能研究工作。Jarrett等人[3]对液冷系统进行优化并探究不同冷却液温度对散热效果的影响，发现电池最大温度的控制往往会以温差为代价，冷却液温度严重影响着电池温度分布。江苏大学徐晓明等[4]研究了以空气和导热胶两种不同介质填充电池单体间隙对电池热流、温度场分布的影响，发现导热胶对降低电池包温升与均衡电池包温度场方面有明显作用。潘巍等[5]采用STAR-CCM+&AMEsim软件联合对液冷电池包进行热管理仿真，分析流场和温度场的分布情况，预测综合工况下电池包模组的最高温度和模组间温差分布。安治国[6]等人建立了液冷散热仿真模型，仿真结果表明采用矩形截面的冷却管要比采用圆形截面冷却管的冷却效果好，并且液冷管的长宽比越大，电池组的最高温度下降越明显。

本文基于STAR-CCM+软件对某款电动车的液冷电池包进行稳态仿真，优化液冷板的流量偏差，进而进行温度场仿真，快速预测电池包热管理系统性能。

1 模型简介

本文以某款电动车的低配电池包为计算模型，该电池包共包含22個电池模组。该电池包采用的冷却方式为箱体底部集成液冷系统，将所有液冷板放置于电池模组下部，通过导热硅胶进行热传导。模组内部结构复杂，为了提高计算效率，不考虑电池内部结构，假设电池内部材料物理属性相同，在相同方向上导热系数相同。

2 液冷流场仿真

2.1 模型与求解设置

在进行温度场仿真之前，首先对液冷板流场进行仿真及优化，提取尼龙管、液冷板的内表面，建立流场仿真模型，进口与出口延长200mm，在STAR-CCM+软件中进行体网格划分，采用多面体网格模型，生成两层边界层，边界层总厚度为0.4mm，体网格数为1820万，如图1，进口为流量入口，流量为18L/min，出口为压力出口，相对压力为零。冷却介质为50%的乙二醇水溶液。原方案汇流管径由左往右分别为：8mm、9mm、10mm、9mm、10mm。

计算模型采用稳态计算模式，湍流模型选用k-ε模型，流体为恒密度不可压缩流体。

2.2 仿真结果分析

对液冷板流场进行仿真求解，读取液冷板每根口琴管流量大小，计算流量最小值与最大值的偏差，结果见表1，0表示该口琴管流量最大，原方案的最大流量偏差为36%，不满足10%的目标值。靠近入口的汇流管流量最大，因减小靠近出口的汇流管管径。为了使得口琴管间流量分配均匀，优化各汇流管的管径，具体方案如表2。

优化后的计算结果见表3，通过调整汇流管管径，方案3中各口琴管间最大的流量偏差为9%，满足各支路流量分配的设计要求。

方案3液冷板及管路的压力云图与表面速度云图如图2和图3所示，冷却液的进出口压降为29kPa，满足设计需求，整个流场的流速分布均匀。

3 电池包温度场仿真

3.1 模型与求解设置

建立电池包温度场仿真模型，简化电池包内部结构，省略对温度场影响很小的螺栓、安装孔、线束等零件，模组采用简化模型，液冷板采用方案3的回流管管径尺寸，如图4所示。在STAR-CCM+软件中进行体网格划分，冷却管路为多面体网格，尼龙管、导热垫与液冷板为拉伸体网格，空气域及其它零部件为切割体网格，冷却管路生成两层，其它计算域不设置边界层，体网格数为2210万。模组芯体等效模型的热物性参数：密度为2200kg· m-3，比热容为950J·kg-1·K-1，X与Y向导热率为22.7W·m-1·K-1， Z向导热率为3.82 W·m-1·K-1。其它电池包零件材料热物性参数见表4。

计算模型采用稳态计算模式，湍流模型为k-ε模型，流体为恒密度不可压缩流体。设置环境温度为25℃，冷却液温度为15℃，22个模组总发热量为2.2kW，为了简化计算模型，将模组设置为体热源，总发热量均布在每个电芯内部。

3.2 仿真结果分析

根据上述计算模型及热物性参数的设置，对电池包温度场进行稳态流动传热仿真，模组温度云图如图5所示。模组下表面靠近液冷板，温度最低，最大温度点在上表面中心，这是由于空气自然对流传热的作用，使得模组周围温度低于中心温度。对比不同模组的最高温度可以看出，模组最高温度的最小值出现在图3中左下角的模组，即距离冷却液入口最近的模组，最小值为45.4℃，而模组最高温度的最大值出现在图中靠近冷却液出口一侧中间位置的模组，最大值为47.6℃，这是由于流入口琴管4的冷却液流量最小。由此得

出，22个模组的温度偏差为2.2℃，温度分布均匀，满足最大温差为3℃的目标值，保证了电池系统的安全性以及电动汽车足够的续航里程。

4 结论

本文建立了动力电池包的液冷板仿真模型与整包温度场模型，采用STAR-CCM+软件进行了计算流体力学数值仿真分析，通过优化液冷板的回流管管径，使得液冷板的流量偏差达到目标值，为电池包的设计提供了可靠的数据支持。温度场仿真结果证实了流量分布均匀的液冷板可以有效地满足温度一致性，最大温差为3℃。电池包的液冷板流场仿真与整包温度场对动力电池包的热管理具有重要指导意义。

参考文献

[1] Wang D， Miao Q， Pecht M. Prognostics of lithium-ion batteries based on relevance vectors and a conditional three-parameter capa -city degradation model[J]. Journal of Power Sources， 2013， 239： 253-264.

[2] 严刚，李顶根，秦李伟.纯电动汽车锂离子电池成组热效应分析[J]. 汽车工程学报， 2016， 6（5）： 313-317.

[3] Jarrett A， Kim I Y.Design optimization of electric vehicle battery  cooling plates for thermal performance[J]. Journal of Power Sources， 2011，196（23）： 10359-10368.

[4] 徐曉明，蒋福平，田晋跃，等.基于导热胶散热的电池包热流场特性研究[J].汽车工程，2017，39（8）：889894，914.

[5] 潘巍，等.基于Star-CCM+&AMEsim联合仿真的液冷电池包热管理[J].电池工业，2018，22（6）：299-306.

[6] 安治国，丁玉章，刘奇，等.液冷管道对动力锂电池组温度场影响研究[J].电源技术，2018，42（06）：795-798.