工业水平的不断发展使得环境污染和资源短缺问题越来越严峻。为了解决这些问题，新能源的开发和利用成为当前的热门研究方向，新能源汽车也是汽车发展的必然趋势^［1］。而目前出现的众多类型的新能源汽车中比较常见的是纯电动动力汽车^［2］。新能源汽车与传统汽车相比具有绿色环保、噪音小、高效节能等特点，正因为这些特点使得新能源汽车一直备受关注^［3］。但是电池问题一直制约着新能源汽车的发展^［4］。锂离子动力电池因具有高比能量、低自放电、循环性好、无记忆效应和绿色环保等优点得到广泛的应用，但是锂离子动力电池在工作过程中受温度的影响非常大^［5-6］。为了使锂离子动力电池的工作性能达到最优，避免电池发生热失控等问题^［7-8］，需合理控制电池包工作时的温度^［9］。

目前电池的冷却系统主要有3种，分别为空冷、液冷和相变材料冷却系统^［10-12］。在选择冷却系统时要考虑成本、冷却效果、复杂性等因素。经多方考虑，本文采用液体冷却系统，研究冷却管道截面宽度、冷却液质量流量和冷却液进口温度等^［13］对电池散热性能的影响，并选择可优化电池包散热性能的参数对电池冷却系统进行改进，以得到一种可有效增强电池散热性能的优化方案。

1 模型建立 1.1 几何模型及前处理

电池包整体结构如图1所示。该电池包外壳为长985 mm、宽552 mm、高200 mm的长方体。整个电池包由3组电芯，每组12个共36个电芯组成，其中每个单体电芯长174 mm、宽70 mm、高150 mm。液冷板贴在电池组的底部，液冷板采用导热系数大且密度小的铝作为材料。冷却液采用质量分数为50%的乙二醇水溶液。为了便于对电池包散热进行仿真计算，对电池包除电芯、外壳、液冷板外其他部件进行了简化处理。

该电池包结构主要由电芯、液冷板、乙二醇冷却液3部分组成，它们的物性^［4］如表1所示。

利用ICEM CFD软件对模型进行网格划分等前处理。采用非结构网格划分，网格数为243万。电池包网络划分如图2所示。

1.2 边界条件

采用速度入口边界条件，入口端流体温度和速度按研究条件进行设置，压力值设置为 0，湍流强度设为默认。采用压力出口边界条件，压力值设置为0，湍流强度设为默认。液冷板和电芯的接触面均采用Fluent软件中的耦合壁面模式进行设置，Fluent软件会自动对壁面的换热率进行计算。外壳与空气接触面按对流模式设置，换热系数设置为8 W·（m²·K）⁻¹，外部对流温度设置为40 °C。由于电池箱内部不存在与外界的能量交换，所以其余壁面设置为绝热壁面。

1.3 仿真模式

本文模拟工况为电池在1C（1倍额定电流）放电电流下放电30 min。利用Fluent软件并采用瞬态分析对电池箱的温度场进行仿真。

1.4 热分析基本理论

电池在使用时会产生热量，因此需先对其产热和传热过程进行分析，然后再进行仿真。

电池热量Q计算式为

$\qquad Q = \lambda \dfrac{A}{{\Delta x}}\left( {{t_2} - {t_1}} \right) $

(1)

式中： $ \lambda $ 为固体导热系数； $ A $ 为垂直热流密度方向的面积； $ \Delta x $ 为电池厚度；t₂为终止时间；t₁为起始时间。

电池中热传递表达式为

$\qquad m{C}_{\mathrm{b}}\frac{{\mathrm{d}T}_{\mathrm{s}}}{\mathrm{d}t}={H}_{\mathrm{i}}-hA\left({T}_{\mathrm{s}}-{T}_{\mathrm{a}}\right)-{Q}_{\mathrm{e}} $

(2)

式中： $ m $ 为电池质量； $ {C}_{\mathrm{b}} $ 为电池比热容； $ {H}_{{\rm{i}}} $ 为电池内部发热量； $ h $ 为对流换热系数； $ {T}_{\mathrm{s}} $ 为电池温度； $ {T}_{{\rm{a}}} $ 为环境温度；Q_e为内阻产热量； $ t $ 为时间。

利用流体力学质量、动量和能量守恒三大定律的基本控制方程进行计算，其中

质量守恒方程为

$\qquad \dfrac{\partial \rho }{\partial t} + \nabla \cdot \left(\mathrm{\rho }{\boldsymbol{u}}\right)=0 $

(3)

动量守恒方程为

$\qquad \dfrac{\partial {\boldsymbol{u}}}{\partial t} + \nabla \cdot \left({\boldsymbol{u}} \otimes {\boldsymbol{u}}\right)-\nabla \cdot \left(\left(\frac{\mu + {\mu }_{t}}{\rho }\right)\nabla {\boldsymbol{u}}\right) = {S}_{i} - \dfrac{1}{\rho }\nabla p $

(4)

能量守恒方程为

$\qquad \dfrac{\partial \left(\rho T\right)}{\partial t} + \dfrac{\partial }{{\partial x}_{i}}\left(\rho {u}_{i}T\right)=\frac{\partial }{{\partial x}_{i}}\left(\frac{k}{{c}_{p}}\cdot \dfrac{\partial T}{\partial {x}_{i}}\right) + \frac{{S}_{\mathrm{T}}}{{c}_{p}} $

(5)

式中： $ \rho $ 为流体密度； $ {\boldsymbol{u}} $ 为流体速度； $ \mu $ 为动力黏度； $ {\mu }_{\mathrm{t}} $ 为湍流黏度； $ {S}_{i} $ 为动力源项； $ p $ 为压力； $ {c}_{p} $ 为流体比热容^［14］； $ T $ 为温度 ； $ {u}_{i} $ 为x_i不同坐标方向的热能增量； $ k $ 为传热系数 。

2 结果分析及讨论 2.1 不同参数对散热性能的影响 2.1.1 冷却液质量流量

其他条件不变只改变进口处冷却液质量流量。不同冷却液质量流量下电池包散热效果如表2所示。不同冷却液质量流量下电池包温度分布云图如图3所示。

从图3中可以看到，冷却液质量流量会影响电池包的散热效果。当进口处冷却液质量流量为40 g·s⁻¹时，电池包的最高温度为27.0 °C，而最大温差仅为2.2 °C，且电池包温度分布较均匀，高温区域较少，说明该质量流量下电池包的散热性能更好。

2.1.2 冷却液进口温度

其他条件不变只改变冷却液进口温度。不同冷却液进口温度时电池包散热效果如表3所示。不同冷却液进口温度时电池包温度分布云图如图4所示。

从表3、图4中可以看到：当冷却液进口温度为15 °C时，电池包的最高温度最低，但电池包的温差较大，说明电池包中心区域温度较高，导致电池包中心区域的电芯使用性能较差；当冷却液进口温度为20 °C时，虽然电池包最高温度有所上升，但是电池包整体温差较小，此时电池包的散热性能较好。

2.1.3 冷却管道截面宽度

其他条件不变只改变进口处冷却管道截面宽度。不同冷却管道截面宽度时电池包散热效果如表4所示。不同冷却管道截面宽度时电池包温度分布云图如图5所示。

从表4、图5中可知，当冷却管道截面宽度为15 mm时，电池包的温度分布较均匀，高温区域较少，电池包的最高温度和温差均达到较优值，可以认为此时电池包的散热性能较好。

2.2 冷却系统优化 2.2.1 方案对比

前文仿真结果表明，冷却管道截面宽度为15 mm时电池包的散热性能更好，所以均采用截面宽度为15 mm的支流管道。原方案中冷却管道如图6（a）所示，管道进、出口尺寸为40 mm × 4 mm，由8根尺寸为15 mm × 4 mm的管道并联而成。优化方案中冷却管道如图6（b）所示，优化后管道进、出口尺寸均为40 mm × 4 mm，由4根尺寸为15 mm × 4 mm的S型管道并联而成。采用S型管道可增大冷却液与电池组的接触面积，减缓冷却液流动的速度，减少冷却液对冷却管道的冲击，增加冷却液与电池组的接触时间。

2.2.2 仿真结果对比

分别将两种方案中的冷却管道模型输入Fluent软件中，在冷却液进口温度为20 °C、进口处冷却液质量流量为40 g·s⁻¹，其他条件保持不变时进行仿真模拟，得到的原方案和优化方案中电池包温度对比如表5所示，原方案和优化方案中电池包的温度分布云图分别如图7（a）、（b）所示。

从表5中可知，优化方案中电池包整体温度有所下降，其中最低温度下降0.2 °C，最高温度下降0.6 °C，温差下降0.4 °C。从图7中可知，优化方案中电池包温度分布较均匀，表明该优化方案有一定的可取性。

3 结 论

本文利用Fluent软件对传统的电池包进行散热仿真分析，并根据仿真结果提出了结构改进方案，优化了流道分布。该方案可有效降低电池包温差，使模型控温效果达到较为理想的状态，整体温差为1.8 °C，同时，整体温控均匀，增强了电池包的散热性能，使电池包的安全性得到提升。研究表明，基于Fluent软件的电池包散热仿真分析可以为液冷板的优化设计提供有效的数据支持，从而降低研发成本。