基于CFD的电动汽车锂电池包内部流场模拟及其结构优化设计

黄芳芳，宋开通，吴亚东

（奇瑞新能源汽车技术有限公司，安徽 芜湖 241000）

0 引 言

锂离子电池作为动力源，在整车充、放电工况下均产生大量热量，造成风冷电池内部电池单体温度的升高和单体电池间的温差，大大降低了电池性能，甚至严重影响电池的使用寿命和整车安全[1]。因此，需建立电池内部流场的理论模型，基于数值模拟技术分析电池包在充、放电过程中的流场分布，预估电池包的散热性能，优化电池包的散热结构，以提高风冷电池包的使用性能和循环寿命[2]。由于CFD可靠性的不断提高[3]，它被广泛应用于研究流体机械流场问题领域。本文基于CFD对风冷电池包的内部流场进行理论模型的建立与数值模拟，并根据数值模拟的结果提出优化方案。

1 锂电池包流场数值模拟

1.1 控制方程

风冷锂电池包的内部散热基本依靠强迫对流换热。当前，解决强迫对流换热的主流方法为k-ε湍流模型，ε表示耗散率，k表示湍动能。本文运用k-ε湍流模型进行锂电池包的内部流场仿真，并采用描述固体导热的控制方程、能量方程、动量方程、流体连续方程、ε方程及k方程等进行数学建模。

内热源导热控制方程：

能量方程：

动量方程：

湍动能k和耗散率ε的方程为：

式中：ρ为气体密度；t为时间；ui、uj、uk分别为三个方向上流体的平均速度；xi、xj、xk分别为三维直角坐标系方向上的分量；T为温度；μ为粘性系数；cρ为比热容；k为流体的传热系数；μt为湍动粘度；Gk是由于平均速度梯度产生的湍动能；C1ε和C2ε为经验常数1.44和1.92。

1.2 几何模型

三元锂离子电池包内部CFD仿真分析的前提条件是建立完善的数学模型。本文的建模对象为国内新能源汽车公司开发的新款纯电动汽车的一种三元锂电池系统总成。天能电池公司生产的单体电池容量为2.2 Ah。电池系统总成由24个电池单体串并联组成，电池单体的尺寸为340 mm×128 mm×74.5 mm，电池壳体厚度为3 mm，电池包的尺寸为1 326 mm×1 253 mm×233 mm。电动沿着向右的方向行驶，并依据车辆运行工况，具体计算作用在电池系统总成上的风速。

1.3 网格模型

三元锂电池系统总成的物理模型形成后，基于处理软件（ICEM-CFD）对物理模型进行网格划分。计算域是选定电池包壳体、进风口以及出风口围成的区域。电池包内部网格模型如图1所示，面网格数为9.8×105，体网格数为1.71×106，进口边界采用质量流量入口，出口边界采用压力出口，入口边界和出口边界延长300 mm。

图1 电池包内部网格模型

1.4 模拟分析

三元锂电池系统总成的边界条件设定如下：进风口边界运用质量流量入口，质量流量为0.021 55 kg/s；出风口边界运用压力出口，压力为0.5 MPa；其余边界为固体壁面边界条件。

模拟计算中作出如下假设：流动过程仅考虑已稳定后的状态；过滤过程视为常温下的流动；忽略颗粒物对模拟的影响；忽略重力对模拟的影响。

计算基于不可压缩流动的标准k-ε湍流模型，运用求解压力耦合方程组的半隐式方法进行离散方程的求解。此文，动量方程与连续性方程的收敛残差标准均取值0.000 1。

2 仿真结果及分析

电池包内部管道速度分布云图，如图2所示。上部风速较下部风速大；对应横向部分离中央垂直通风管道越远，风速越大。

图2 电池包内部管道速度分布云图

由图2可知，电池包左右流量分配对称；需重点关注对应横向部分靠近中央垂直通风管道的电池组，以防止高温；内部通风管道结构存在大量能量损失，有待优化。

3 结构改进及流场仿真

根据模拟结果，调整电池包内部通风管道结构，分别优化中央通风管道出口和三个同风分支管道出口，以保证各分支管道出口放入流量保持在相对一致的水平。

改变中央管道与支管的连接口大小，并进行了10轮优化。表1为部分统计表，已将图标重点额流量乘以10 000，出风口的流量接近平均流量6.6，满足要求。

图3为电池包内部通风管道经过10轮优化后的全局流线图。可知，各出口流量分配已基本保持一致，第二排管道靠近中央的左右第一个管道（编号211出口、编号221出口）流量已大幅提升至0.000 5 kg/s，接近平均值0.000 66 kg/s，满足设计要求。

表1 10轮优化的各出风口流量统计表

图3 全局流线俯视图

4 结 论

采用CFD方法对电池包内部通风管道流场进行建模和数值分析，同时仿真了多种参数的分布云图和全局流线图。分析流场的速度云图，提出了使电池包流场均匀的优化方案。通过电池包内部通风管道结构优化，各出风口流量分配已基本保持一致，接近平均值0.000 66 kg/s，满足设计要求，减少了能量损失，延长了电池的使用寿命。