鋰離子電池模組液體冷卻的CFD仿真計(jì)算設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8561鋰離子電池模組液體冷卻的幾何模型與優(yōu)化分析案例 1157791.1液冷散熱系統(tǒng)冷卻板幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 151271.2CFD仿真計(jì)算設(shè)計(jì) 3273581.2.1冷卻液材料的選擇 319231.2.2鋰離子電池模組幾何模型的建立 41361.2.3模型的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置 5208171.2.4鋰離子電池模組液體冷卻模型仿真結(jié)果及分析 7290201.3鋰離子電池模組液冷散熱系統(tǒng)的優(yōu)化 9184891.3.1鋰離子電池模組優(yōu)化模型的建立 951411.3.2模型的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置 978921.3.3鋰離子電池模組液體冷卻優(yōu)化模型仿真結(jié)果對(duì)比及分析 10216451.4小結(jié) 121.1液冷散熱系統(tǒng)冷卻板幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)冷卻液通過冷卻板內(nèi)的流道后將熱量帶出，本文選用U型流道并通過改變其進(jìn)出口位置對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，下面將與另外兩種流道結(jié)構(gòu)S型、W型進(jìn)行對(duì)比。（1）U型流道由于鋰離子電池群集后排列緊密，中間部位產(chǎn)生的熱量特別大，而U型流道的微型扁管結(jié)構(gòu)易于加工，熱交換面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，放置在電池各單元間可以實(shí)現(xiàn)高效的散熱，適用于高密度的動(dòng)力電池，結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。圖4-1U型流道結(jié)構(gòu)圖（2）S型流道根據(jù)U型流道的結(jié)構(gòu)可知，冷卻流道與動(dòng)力電池之間的接觸大多是線接觸，少數(shù)幾個(gè)則是面接觸，為了提高熱輻射，增大電池和冷卻流道之間的接觸面，可以有效地增加散熱量，所以，在U型流道的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)S型的流道。但此流道的形狀彎曲部位過多，冷卻液流經(jīng)時(shí)會(huì)對(duì)管壁造成很大的沖擊，結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。圖4-2S型流道結(jié)構(gòu)圖（3）W型流道目前使用最多的流道結(jié)構(gòu)是U型或蛇形流道，但U型或蛇形流道德缺陷在于，冷卻液流通的入口和出口位置之間距離較遠(yuǎn)，且之間存在明顯的溫度差，入口處的電池溫度很低，因?yàn)槔鋮s液會(huì)吸收很多熱量，但是當(dāng)冷卻液到達(dá)出口處時(shí)，由于之前吸收了大量的熱量，自身溫度較高，吸收不了多少熱量，所以出口處電池溫度較高，散熱效果較差。為了保持電池的溫度均勻性，大多蛇形流道都是采用雙向流道，類似“W”的形狀，將冷卻液進(jìn)出口位置放在一起，冷卻液在流道內(nèi)部反向回流，避免電池溫度出現(xiàn)明顯的分層，結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。圖4-3W型流道結(jié)構(gòu)圖冷卻板放置的位置是由電池夾緊的，冷卻板的內(nèi)部是冷卻水流道，因此，選擇冷卻板時(shí)應(yīng)注意其材料的導(dǎo)熱系數(shù)和密度。鋁的熱傳導(dǎo)性好，密度小，所以用鋁做散熱材料，本文采用的鋁合金冷卻板的長(zhǎng)寬高分別為227mm、8mm、151mm，冷卻板內(nèi)流道直徑為4mm，并假設(shè)其不會(huì)因?yàn)闇囟壬叨l(fā)生變形，其熱物性參數(shù)如下表4-1所示。表4-1冷卻板的參數(shù)材料導(dǎo)熱系數(shù)（）密度（）比熱容（）鋁合金20227198711.2CFD仿真計(jì)算設(shè)計(jì)1.2.1冷卻液材料的選擇冷卻液是熱量傳輸?shù)拿浇椋洳牧系倪x擇對(duì)于鋰離子電池液冷散熱系統(tǒng)的散熱效果的影響很大，理想的冷卻液必須具有高的導(dǎo)熱系數(shù)、不易汽化、熱穩(wěn)定性和絕緣性較好，同時(shí)無毒、無污染、不易燃爆等安全性較高的特點(diǎn)，但要尋找到最理想的液態(tài)介質(zhì)，卻是非常困難的，本文采用的為乙二醇溶液，并假設(shè)其流動(dòng)時(shí)體積不隨溫度的變化而變化，下表4-2和4-3分別為水和乙二醇溶液的熱物性參數(shù)。表4-2水的熱物性參數(shù)溫度（℃）導(dǎo)熱系數(shù)（）密度（）比熱容（）粘度00.551999.942121.79100.574999.741911.31200.599998.241831.00300.617995.641740.80400.633992.241740.63表4-3乙二醇溶液的熱物性參數(shù)溫度（℃）導(dǎo)熱系數(shù)（）密度（）比熱容（）粘度-200.3441086.87312622.07-100.3541081.61316512.7400.3641081.0832038.09100.3731077.4632425.5200.3801073.3532813.94300.3871068.7533192.94400.3941063.6633582.26由上表可知水的熱物性參數(shù)大多滿足理想冷卻水的條件，且價(jià)格低廉獲取方式容易，但在低溫條件下如零度或零下十幾度時(shí)，液體水會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w冰，無法進(jìn)行散熱甚至可能損壞零部件。綜上，本文采用乙二醇溶液作為冷卻液介質(zhì)，其具體熱物性參數(shù)如下表4-4所示。表4-4冷卻液的相關(guān)參數(shù)材料導(dǎo)熱系數(shù)（）密度（）比熱容（）粘度乙二醇溶液0.419106534943.151.2.2鋰離子電池模組幾何模型的建立在純電動(dòng)汽車中，大部分動(dòng)力來源是以電池包的形式顯示，電池包再以多個(gè)單體電池按序排列成電池模組后組合而成。本文采用8個(gè)單體方形電池18排列，單體電池間的間距分別為3mm，電池模組忽略正負(fù)極耳的長(zhǎng)度后的長(zhǎng)寬高尺寸為，冷卻板與電池之間相距2mm，模組與外界環(huán)境不存在熱輻射，其中電池的各熱物性參數(shù)與上表3-2保持一致，建立的液體冷卻模型如圖4-1所示。圖4-1鋰離子電池模組液體冷卻模型1.2.3模型的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置將建好的單體鋰離子電池模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench自帶的ICEMCFD軟件中進(jìn)行拓?fù)?，并完成進(jìn)出口、正負(fù)極等各部分的命名，以便于下面邊界條件的設(shè)置和網(wǎng)格的劃分。各部分設(shè)置如圖4-2所示，完成設(shè)置后的得到的模型的網(wǎng)格總數(shù)為5955321個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為998015個(gè)，如圖4-3所示。圖4-2網(wǎng)格設(shè)置圖4-3電池模組液體冷卻模型的網(wǎng)格模型將ICEMCFD劃分好的鋰離子電池模組液體冷卻模型導(dǎo)入Fluent中，進(jìn)行邊界條件和求解器的設(shè)置，其熱物性參數(shù)按上表3-2、4-1和4-3所示進(jìn)行設(shè)置。（1）仿真基本設(shè)置根據(jù)模型設(shè)置重力加速度，并打開能量方程，選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon湍流模型。設(shè)置冷卻液和冷卻板等的熱物性參數(shù)，如圖4-4所示。圖4-4熱物性參數(shù)的設(shè)置（2）區(qū)域和邊界條件設(shè)置在區(qū)域設(shè)置2C放電倍率下的正負(fù)極耳和內(nèi)核的生熱速率，環(huán)境溫度和鋰離子電池模組的初始溫度均設(shè)為26℃，冷卻板與空氣接觸面設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)為4，設(shè)置冷卻液的初始溫度設(shè)為20℃，且其流動(dòng)速度為2，出口設(shè)置為壓力出口，其溫度為28℃，如圖4-5所示，求解控制器方式選擇simple算法，壓力、動(dòng)量和能量方程選擇二階迎風(fēng)格式的離散方程。（a）（b）圖4-5邊界條件設(shè)置1.2.4鋰離子電池模組液體冷卻模型仿真結(jié)果及分析鋰離子電池模組的液體冷卻系統(tǒng)主要由三個(gè)環(huán)節(jié)組成：（1）鋰離子電池與液冷板間的熱交換，（2）冷卻液與冷卻板之間的熱交換，（3）冷卻板與外部環(huán)境之間的熱交換，仿真結(jié)果如下圖4-6和4-7所示。由溫度分布云圖可知，冷卻板中流道的最高溫度為21.22℃，最低溫度為1912℃，最大溫差為2.1℃；冷卻板的最高溫度為21.29℃，最低溫度為20.31℃，最大溫差為0.98℃；電池模組的最高溫度為33.03℃，最低溫度為16.9℃，最大溫差為16.13℃。綜上，該流道結(jié)構(gòu)的入口處壓力最大，進(jìn)出口之間的壓力差也較大，且壓力分布不均；雖然采用此種結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱后，電池模組的最高溫度得到大幅降低，但冷卻板進(jìn)口處溫度明顯高于出口處，溫度分布不均，且電池模組未達(dá)到最低溫度，其溫度均勻性有待提高。（a）冷卻液速度分布圖（b）壓力分布圖（c）冷卻板流道截面的溫度分布云圖圖4-6冷卻板流道仿真結(jié)果（a）（b）圖4-7冷卻板及電池模組的溫度云圖1.3鋰離子電池模組液冷散熱系統(tǒng)的優(yōu)化1.3.1鋰離子電池模組優(yōu)化模型的建立為了改善電池模組溫度的均勻性，對(duì)流道的分布結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。采用了串并行相結(jié)合的流道結(jié)構(gòu)，并改變了進(jìn)出口的位置，其基本熱物性參數(shù)與上述結(jié)構(gòu)的參數(shù)基本一致，建立的優(yōu)化模型如圖4-8所示。圖4-8鋰離子電池模組液體冷卻優(yōu)化模型1.3.2模型的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置將建好的單體鋰離子電池模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench自帶的ICEMCFD軟件中進(jìn)行拓?fù)?，完成各部分的命名后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，各部分設(shè)置如圖4-9所示，完成設(shè)置后的得到的模型的網(wǎng)格總數(shù)為7895355個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1331265個(gè)，如圖4-10所示，均多于上述U型流道結(jié)構(gòu)。圖4-9網(wǎng)格設(shè)置圖4-10電池模組液體冷卻優(yōu)化模型的網(wǎng)格模型將ICEMCFD劃分好的鋰離子電池模組液體冷卻優(yōu)化模型導(dǎo)入Fluent中，進(jìn)行邊界條件和求解器的設(shè)置，根據(jù)模型設(shè)置重力加速度在Y的方向上為-9.8，其他條件和上述方案相同，鋰離子電池均在2C放電倍率下進(jìn)行工作。1.3.3鋰離子電池模組液體冷卻優(yōu)化模型仿真結(jié)果對(duì)比及分析仿真結(jié)果如下圖4-11和4-12所示。冷卻板中流道的最高溫度為21℃，最低溫度為18.69℃，最大溫差為2.31℃；冷卻板的最高溫度為21.09℃，最低溫度為19.9℃，最大溫差為1.19℃；電池模組的最高溫度為32.81℃，最低溫度為20.75℃，最大溫差為12.06℃。（a）冷卻液速度分布圖（b）壓力分布圖（c）冷卻板流道截面的溫度分布云圖圖4-11冷卻板流道仿真結(jié)果（a）（b）圖4-12冷卻板及電池模組的溫度云圖從以下幾個(gè)方面進(jìn)行結(jié)果對(duì)比：（1）冷卻液流速：由于流道數(shù)量較多，故采用平均流速作為比較標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)化前的冷卻液流速最快為3.72，但流道彎曲處的流速較低，流量分配不均勻。而優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)平均流速為3.63，流道內(nèi)的流動(dòng)阻力大小基本相同，速度分配較均勻。（2）流道的壓力：雖然優(yōu)化前后的模型均為入口處壓力最大，出口處壓力最小，但優(yōu)化后的模型的兩并聯(lián)流道的壓力分配更均勻，安全性較好。（3）溫度：根據(jù)溫度分布云圖可知，兩種流道結(jié)構(gòu)的最高溫度相差較小，但優(yōu)化前的模型的溫差大于優(yōu)化后的模型。優(yōu)化后的模型的流道和冷卻板的溫度分布較為均衡，且液冷板達(dá)到最低溫度，整個(gè)電池模組的散熱效果好。綜上，優(yōu)化后的模型的散熱效果好，不僅改善了動(dòng)力電池的溫度均勻性，還