0 前言
能源與環境的壓力致使各國政府、汽車廠家、研發機構紛紛投入人力物力來研究傳統內燃機的替代品，推動了混合動力汽車和純電動汽車的發展。插電式混合動力汽車由于是混合動力向純電動過渡的最優方案，受到各國政府和汽車廠家的高度重視，并陸續推出了自己相應的產品。電池作為插電式混合動力汽車的主要儲能元件，是插電式混合動力汽車的關鍵部件，直接影響到整車的性能。鋰離子電池由于工作電壓高、功率密度和能量密度高、充放電壽命長、無記憶效應、無污染等優點，目前插電式混合動力汽車上己大部分應用。鋰離子電池包如果長時間工作在比較惡劣的熱環境中，這將影響電池包的使用壽命，降低電池包的性能；電池包內溫度長久不均勻分布，會導致電池模塊、各單體間的性能不一致性；同時電池包的熱管理對整車運行安全意義重大。熱管理系統要實現的主要功能主要為：(1)電池溫度過高時有效散熱和通風；(2)保證電池組之間的溫度均勻分布；(3)低溫條件下的快速加熱，使電池組能正常工作；(4)有害氣體產生時的良好通風。鋰離子電池包熱管理系統的冷卻包括空冷和液冷兩種方式。由于空冷方式結構簡單、重量相對較小、成本低且有害氣體能有效通風，本文研究的基于某插電式鋰離子電池包的熱管理系統采用空冷方式冷卻，自然滿足(4)的功能要求，借助STAR-CCM+仿真軟件，主要著眼點在于滿足(1)和(2)的功能要求。
1 數值計算模型
1.1 幾何模型及網格劃分
圖1為本文研究的某款插電式混合動力汽車鋰離子電池包熱管理系統結構示意圖，冷卻方式為空冷，冷卻空氣以抽風的方式從鋰離子電池包外殼的進風口進入包內，如圖1中紅色箭頭所示風的流向可以看出，主風道將氣流按比例分為兩股分別對電池包兩邊的電池模組進行散熱，最終帶有熱量的空氣從出風口被抽出。針對模組而言，該系統的結構設計為并聯結構散熱，模組與模組之間的散熱風量互不干擾；但對單體電池而言，局部卻客觀存在不利于電池溫度均勻分布的串行結構存在。
圖1 某插電式鋰離子電池包熱管理系統示意圖
考慮到該鋰離子電池包熱管理系統的實際散熱情況，將計算域分成三部分：分別為流體域、電池域和散熱翅片域，計算三者間的換熱關系。該電池包產生的熱量主要被散熱翅片導出，然后經流過的冷卻空氣將散熱翅片上面的熱量帶出包外，電池模組包的塑料外殼不參與換熱，此處當做壁面處理。通過STAR-CCM+軟件中的包面功能和剪切功能，得到所需的物理域后生成體網格，共計697萬，如圖2所示。其中電池域和流體域是Trimmer網格，總計430萬，散熱翅片域是兩層Thin網格，共計267萬。
圖2 某插電式鋰離子電池包熱管理系統體網格劃分
1.2 數值計算模型及算法
由于該鋰離子電池包內冷卻空氣的流速不高，可以簡化為不可壓流體進行模擬計算，除了描述流動特性的連續性方程、動量方程和k-ε方程外，還包括一個能量平衡方程。在三維笛卡爾坐標系中，以張量形式表示的湍流對流換熱控制微分方程如下：
連續方程：
動量方程：
能量方程：
湍動能方程：
湍動能耗散率方程：
1.3 邊界條件及計算策略
入口邊界設置為速度進口，出口邊界設置為壓力出口，其他地方設置為壁面邊界條件。計算工況為初始溫度30℃，1100秒最高車速純電動工況，在純電動工況結束后繼續混動工況，直至電池溫度達到穩態。為了快速得到求解的結果，先用穩態模型對流場進行求解，待穩定后重新選取非穩態模型對溫度場進行求解。
2 計算結果及優化分析
2.1 流場分析結果對比
為了匹配風機，對原始模型進行了如表1．所示的6組流場分析計算，最后得到一條流量一壓損的擬合曲線，通過風機的P-Q曲線找到工作點，最終確定熱管理系統的進風流量為300m3/h。
表1 不同進口流量下對應的熱管理系統總壓壓損
將進風口風速設定為7.26m/s，對原始模型進行溫度場分析，發現該鋰離子動力電池在1100s最高車速純電動工況下的最高溫度在鋰離子動力電池的最佳使用范圍以內，滿足要求，模組之間的溫差也在合理范圍之內，滿足該動力電池系統的溫差要求。純電動工況后進行混動工況的計算直至穩態，發現其最高溫度和模組之間的溫差都超過了該鋰離子動力電池的最佳使用范圍，會影響整個電池包的使用效率、壽命、甚至安全。通過與產品工程師充分溝通，結合工程實際提出了相應的優化方案，并對優化后的方案進行了相同工況下的模擬計算，結果對比如下：
該鋰離子電池包熱管理系統采用并聯結構和空冷方式，流場結構直接影響動力電池的溫度場分布，圖3為優化前后該鋰離子動力電池包模型的流線圖。
圖3 優化前后流線圖對比
優化后，各個電池模組間的流場分布更加均勻，使流過的空氣流速也更加的平均。流經兩面翅片的空氣量也相應增加，最終的電池模組間的溫度會更加均衡。
2.2 溫度場計算結果對比
圖4為優化前后鋰離子動力電池溫度分布云圖。比較兩圖，優化前，右排電池模組由于冷卻風量不足，特別是右排前兩個模組，為整個鋰離子電池包的最高溫度處，約為60.5℃，不滿足鋰離子動力電池的最佳溫度使用范圍；優化后的最高溫度下降明顯，降到了鋰離子動力電池的最佳溫度使用范圍內。而最低溫度幾乎沒有變化，均勻性顯著提高。
圖4 優化前動力電池溫度分布云圖
3 結論
應用STAR-CCM+計算流體軟件能很好地模擬該插電式混合動力車用鋰離子電池包的熱管理系統在強制風冷下的流動狀況和換熱情況，對于優化設計而言的定量分析具有很好的指導意義。本文使用了STAR-CCM+計算流體軟件的包面功能，極大的縮短了劃分域和網格生成的時間，相應縮短了計算周期；同時，由于散熱翅片裸露在空氣中的面積很小并且其厚度極薄，無法直接包面得到，采用了STAR-CCM+計算流體軟件中的Intersect Faces功能，極為方便的解決了實際中建模的困難，為優化動力電池熱管理機構設計提供了很大的方便，進一步體現出CFD分析方法的優勢。
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本文標題：某插電式混合動力車用鋰離子電池包的熱管理系統模擬分析
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