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基于Star-CCM+& AMEsim联合仿真的液冷电池包热管理

  次浏览  周工子 热管理  2021/04/27

看了一篇论文,给大家分享一下:本文以某项目电池包为例,此电池包是一款新能 源混合动力 电 池 包。其 平 台 电 压 为350V,共包 含8 个电池模组,每个电池模组包含12片电 芯,共 计96 片电 芯;单 体 电 芯 标 称 容 量 为 51Ah,系 统 总 容 量 4896Ah,系统总能量17kWh。电池包采用箱体底部 集成液冷系统的冷却方式,所有电池模组均放置于底 部液冷板上,并通过导热硅胶垫进行热量传导。电池包结构布置如图1所示。

基于Star-CCM+& AMEsim联合仿真的液冷电池包热管理

本文使用Starccm+和amesim联合仿真。

在starccm+中

模型求解设置主要为:(模型采用稳态计算模式;(流场和温度场耦合仿真;(湍流模型为k-ε模型;(发热体形式为恒密度恒功率发热源;(流体为恒密度不可压缩流体。

边界条件设置主要为:①环境温度设置为25℃;②初始温度为20℃;③冷却液流量分别为qv1、qv2和qv3,其中,qv1为5L/min,qv2为10L/min,qv3为15L/min;冷却液温度设置为20℃。

设置完成后分别求解三种流量下的流场和温度场,并根据不同流量下的流阻绘制阻力特性曲线图用于环路系统水泵性能匹配。

对于液冷电池包而言,并联支路的冷却液流量分配直接影响模组的温差,冷却液流动状态直接影响模组换热的强弱,进而影响电芯温度分布。因此,在进行热管理系统设计过程中需根据仿真结果,进行并联支路流量分配计算,对于支路流量差别较大(>5%)的情况进行优化设计以消除随之带来的模组温差;并对流道中出现回流区、分离区或流通截面急剧变化等区域进行优化设计,以降低局部流阻。

基于Star-CCM+& AMEsim联合仿真的液冷电池包热管理
基于Star-CCM+& AMEsim联合仿真的液冷电池包热管理

上图为仿真结果:

当系统内冷却液流量为qv1时,系统压降为2344Pa,当系统内冷却液流量增加至qv2和qv3时,系统压降分别增加了221% 和572%,为7.5kPa和15.7kPa。

当冷却液流量为qv1时,电池最高温度为36℃;当冷却液流量为qv3时,电池最高温度为32℃。

当冷却液流量为qv3时冷却液与冷板交界面换热系数分布如图9所示,交界面上平均换热系数为584.9W/m2*K。

1D模型搭建

本例中由于模组温度分布并不是主要关心问题,故将模组离散成电芯本体和极耳及汇流排两个热容体,热容体之间用热传导元件连接,根据电池包的几何尺寸和材料属性设置各元件参数,并且施加3D仿真相同的边界条件进行流场和温度场标定(根据此步骤实现starccm和amesim的联合仿真,目的是为了实现amesim的精度提升),然后分别计算相应的平均温度。底部采用换热管道与模组进行换热,且只计算模组法向方向上的传热量,通过调整换热元件壁面的相对粗糙度(relative roughness)和管件的努赛尔数表达式(Nusselt number expression),使1D模型的阻力特性和电芯温度与3D结果保持一致。具体如图10所示。

基于Star-CCM+& AMEsim联合仿真的液冷电池包热管理

在amesim中搭建的模型如图所示:

基于Star-CCM+& AMEsim联合仿真的液冷电池包热管理

本例以NEDC循环工况、爬坡工况和90kph匀速工况为例,仿真电池从95%SOC放电至5%SOC时,模组BMS监测点温度情况。环境温度分别设置为25℃/38℃,模型初始温度分别设置为25℃/38℃,冷却液流量设置为12L/min,冷却液温度设置为25℃,电池生热功率按照各工况下整车的输出功率计算得到。

 1D仿真及结果分析

基于Star-CCM+& AMEsim联合仿真的液冷电池包热管理

笔者进行仿真与实验的对比,误差较小,38℃环境温度时,NEDC工况下1D仿真数据Tmax与试验数据Tmax误差约3.2%。

总结

(1)基于本例的模型,在3D模型中实施NEDC循环工况仿真耗时5天,1D仿真耗时30分钟,可见1D仿真速度大大提高。

(2)基于本例的模型,经过标定的1D仿真模型与实验数据误差很小,NEDC工况下Tmax误差约为3.2%,爬坡工况下Tmax误差为0%,90kph工况下Tmax误差约为2.3%。

(3)1D模型在建模初期,需耗费一定的时间来进行模型标定,之后,可快速进行不同输入条件的仿真,对于实施不同循环工况的仿真和控制策略仿真等,可节约大量时间,能在有限时间内进行更全面的验证。

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