基于CFD数值模拟的动力锂电池温度场研究
摘要：采用CFD数值模拟对新能源汽车动力锂电池包内部温度场进行分析，电池包采取强制风冷方式，冷却气流流量为140m3/h。设定汽车夏季运行环境温度35℃和40℃，冷却气流温度为25℃和30℃，对某型号电池包在1C放电倍率和1.5C充电倍率，共四种工况下数值模拟分析其内部温度场分布，得出电池包内部气流速度流线图、气流温度流线图、电池包内部切面温度云图、电池模组表面温度云图以及表面平均温度值等结果。对比四种工况下的模拟分析结果，随着靠近电池包出口区域距离减小，电池模组表面温度明显上升，模组4表面温度最高，且温度最高区域在模组的中央；各模组内部切面温度呈现阶梯状分布，模组4切面温度最高；工况1和工况2下各模组表面温度满足设计要求，工况3和工况4下需进一步优化电池包模组和冷却流道。
关键词：数值模拟CFD动力锂电池放电倍率温度场
由于锂离子电池具有高功率密度、工作电压高、无记忆效应、较优的充放电深度、低自放电、材料环保无污染、循环寿命长等特点，被认为是电动汽车领域最有前景的动力电池。整车在不同工况下行驶时，锂离子电池的输出电流随之变化，电池单体和电池包内部会伴随着不同程度地热量产生。电池尤其在大电流的快速充放电循环中会产生大量热能，且电池模组的寿命与单体电池的温度、温度均匀性有着密切关系[1]。
锂离子电池的高温会加速电池的容量退化，缩短使用寿命，甚至电池内部集聚大量热能得不到及时释放，会导致电动汽车产生重大安全隐患，如过热、燃烧和电池爆炸等发生[2-3]。电动汽车实际使用时，经常会遇到复杂的工况，如怠速、急加速、急减速、山路爬坡等工况，此时电池充放电流在0.5C至3C之间。除此之外，夏天高温的环境，给动力电池具有高效热管理技术提出了挑战。动力电池受温度影响明显，过高或者过低的温度，均会影响到电池内部的反应速率。与此同时，低温时锂离子传输的阻力变大，动力电池内部不易发生电化学反应，影响充放电效率。
1研究现状
黄钰期等人采用CFD中的多孔介质简化模型对电动汽车电池包的加热方案评估，电池包从-13℃加热到5℃，且电池区域最大温差控制在5℃以内[4]。吕超等人采用Fluent对电池单体、电池包温度进行分析，通过改变出风孔数量和风扇挡板形状改善冷却系统的冷却效果[5]。路昭等人建立了动力电池组三维模型，得出进风速度、导热翅片数量和热导率对动力电池组温度特性和流动特性的影响规律[6]。ZhaoG等人提出了一种新型的等腰梯形风冷电池布局，以提高系统的散热性能[7]。陈凯等人基于并行流道风冷式动力电池的导流板形状，提出一种优化方法，优化后的系统在保证系统压降基本不变的情况下，电池组温差减小48%以上[8]。董彬等人以R134a为冷却介质设计了动力电池喷雾冷却换热测试装置，研究了喷口直径、节流阀压差、制冷剂充注量等因素对动力电池喷雾冷却换热特性的影响[9]。
研究电池包在充电和放电下强制风冷式热管理，对动力电池包内部冷却气流速度、温度流线特性、电池模组表面温度均匀性、电池模组的散热机理有着重要意义。
2研究内容
2.1模型及网格划分
该型号动力锂电池包共计112块单体电芯，单体电芯电压为3.2V，容量为150AH的磷酸铁锂。电池包内部采用强制风冷设计，入口冷却气流由空调HVAC提供，设定冷却气流温度为25℃和30℃、气流流量为140m3/h，电池包出口处利用冷却风扇通过冷却风道进行抽吸。采用CATIA三维软件对动力锂电池包壳体、内部电池模组、加热PTC进行三维模型建立。动力锂电池包壳体三维模型，如图1所示。动力锂电池包内部电池模组布置三维模型，如图2所示。模组1、模组2、模组3和模组4，串联芯体数量分别为24、24、26、38块。
考虑到结构化网格能够对电池包内部流体区域有着更精细的网格划分，数值模拟计算分析会有更好地收敛性，故整个流体计算域使用软件ANSYSICEM进行结构化六面体网格划分，最后网格以cfx5格式导出。通过对不同网格数量的模型分析结果对比，验证了模型计算域网格数量的无关性，最终确定电池包模型体网格数量为1310万网格。
2.2湍流模型
模型分析选取RNGk-ε湍流模型对动力锂电池包内部温度场进行求解，RNGk-ε湍流模型，如下：
取σk=σε=0.718，Cμ=0.0845，η0=4.377，β=0.012，C1ε=1.42，C2ε=1.68。
2.3边界条件及工况
考虑对流及热传导，采用STAR-CCM+软件对动力锂电池包内部温度场进行定常数值模拟计算分析。为了降低电池包温度场分析的复杂程度，对电池模组细节做简化处理。在夏季汽车运行环境温度35℃和40℃，冷却气流流量为140m3/h，温度为25℃和30℃，电池模组以1C放电倍率和1.5C充电倍率工作，共四