01 电池包设计
电池组由多个相同的电池，BMS电流收集器，电池支架，冷却板，接线盒，和顶部和底部电池盖组成。所述单元可以配置为串联、并联或两者混合以输送所需电压和容量。仿真模型如图2所示。

袋状电池由薄铝箔制成并包裹在聚合物层中；电池模块由多个袋状电池堆叠成外壳；热冷却泡沫垫沿外壳粘贴确保结构的稳定和散热；添加塑料框架保证标签分离防止短路。电池管理系统由微处理器和塑料芯片组成；NVH泡沫被用作结构构件抑制来自包装的噪声和振动。电池冷却系统在给定泵送功率下优化冷却流路，并按要求维持电池温度。母线和其他载流元件通常由铝制成，由于铝具有优良的导电性。ABS，丙烯酸和塑料用于连接器和各种组件的覆盖物。表3解释电池组的电池规格。

表3 电池参数

02  CFD流程

图3介绍了含冷却系统和无冷却系统的电池热仿真的工作流程。

03 CFD设计

图4建立了电池热行为的几何模型，电池组件及其材料性能如表4所示。

表4 电池材料参数

04 冷却通道设计

冷却通道的计算如下式所示：

其中，A表示冷却通道的面积（m2）；M表示冷却剂质量流量（kg/s）；V表示冷却剂速度（m/s）；ρ表示冷却剂密度（kg/m3）。

05 网格
采用STAR-CCM+网格划分生成多面体网格，对于流体域，首先进行网格细化同时确定冷却管壁上的边界层。固体域的基础尺寸为5mm，流体域的基础尺寸为4mm。基于y+目标值1，体积增长率设置为1.2，边界层厚度设置为0.5 mm。此外，进行网格无关性验证，三种网格数量分别增加了25%，确定网格数量为1000万个。体网格如图5所示。

图5 网格模型

06 物理连续体
物理连续体是一个由数值定律和模型控制的环境，这些定律和模型将应用于我们模型的一个或几个领域。可以是气体、流体或固体，为每个固体和流体组件设置了物理。流体域采用隔离绝热K-Epsilon湍流壁函数模型，外固体表面考虑对流。与环境换热系数为10W/m2·K，固体部分的环境温度为300K。系统的边界条件为冷却剂进口质量流量352kg/h和温度24℃。收敛系数满足质量流量、温度和压力等所有因素。表5描述了连续体设置。

表5 CFD物理连续体

DOE矩阵 -热模拟
表6表示11种不同模拟的DOE矩阵，一种模拟是没有冷却系统，四种模拟是有液冷(2个进气口和2个出口)，最后一类是有冷却(1个进气口和1个出口)。对电池系统进行了三种不同类别的模拟。

表6 DOE矩阵

07 无冷却系统的电池模型
图6为无冷却系统的CAD模型。在不考虑冷却剂流动的情况下进行了模拟，外罩对流速率为10w/m2·k，环境温度为27℃。


没有热管理系统的电池系统的结果，图7表示无冷却系统的温度分布；图8是截面温度分布；图9是图7为电池各部件的温度曲线图。可以看到内部部件的温度值超过了100℃；图10是各部件的最大温度图。



08  带冷却系统的电池-第一类结构
图12为第一类冷却结构系统图，有两个冷却入口和两个冷却出口。
对冷却剂和固体分别设置各自的热特性和固体组分。电池使用的材料是铝、铝合金、热塑性塑料、导热润滑脂、NVH泡沫和40%乙二醇溶液作为冷却剂。对系统进行仿真分析结果如图13所示。case2(管道1&2进口和管道3&4出口)的温度均匀性优于其他情况，case 2中各部件的最高温度较低，主要是冷却剂带走了更多的热量。case2的压降为48.1mbar，这是由于通过冷却系统的流道造成的。


09  带冷却系统的电池-第二类结构



从图中可以看出，case 8(1号管道入口和4号管道出口)的温度均匀性较好。由于电池系统的冷却剂传递了更多的能量，外壳8的电池部件温度最低

图15 温度分布

10  总结
对不同电池配置进行了设计和三维仿真。没有冷却系统的电池系统导致其部件温度较高(高于120℃)，从而导致系统故障。I型和II型冷却系统配置在最佳电池温度范围内运行(25-55℃)。I型(多进出水口)比II型(单进出水口)配置更好、更高效。考虑到电池的产热和温度均匀性，从冷却矩阵中选择case2(1&2个入口，3&4个出口)作为最佳配置。case2的压降为48.1mbar，电池部件中最低温度(34.55℃)。

结果和讨论

为了实现电动汽车电池包的冷却性能和成本效益，热管理和冷却系统类型的选择是非常重要的。电池系统的冷却涉及到冷却方式、冷却系统的设计、电池冷却系统的进、出口等几个因素。在本文中，电池热管理系统选择了液冷方式。没有选择风冷方式，因为风冷系统的传热系数比液冷要低，且空气的热容量小，很难保持包内的温度均匀。选择40/60比例的水和乙二醇混合物用于间接冷却系统，因为它在车辆应用中具有较低的冻结温度。水/乙二醇具有较高的热容量，因此采用水/乙二醇作为传热流体可以大大减小系统内部冷却液的温度变化，同时也可以达到温度均匀性。