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锂离子动力电池系统热管理仿真分析及设计优化

摘要：为了拓展锂离子动力电池的操作温度范围并确保其性能稳定，采用了先进的热管理系统设计。本文聚焦于运用计算流体力学（CFD）仿真技术，深入探究了电池单元在变化工况下的热产生特性、模组级的温度分布情况以及在加热与冷却过程中的表现。通过对多种散热架构的仿真数据进行横向比较，得以精进电池系统的热交换机制。实际车辆的冷却测试结果证实，优化后的热管理方案能够有效维持电池在适宜的工作温度区间内，从而保证了电池的效能和耐久性。

关键词：热管理动力电池仿真分析

随着新能源汽车行业的迅猛增长，电动车的应用范围日益扩大，对车辆性能的标准也随之提升。在电池系统的性能指标中，人们尤为关注其耐用性、安全性及实用性，而这些指标与电池的热管理问题密切相关。纯电动车的核心在于其动力电池技术，动力电池的效能及其使用寿命对环境温度极为敏感，其理想的工作温度范围应控制在25℃至45℃之间。在充电与放电过程中，电池会自然发热，导致内部温度升高。这种温度的上升会直接影响电池的多项性能指标，包括内阻、电压、状态-of-电荷（SOC）、实际可用容量、充放电效率以及电池的整体寿命。纯电动车的核心在于其动力电池技术，而要推动纯电动车的发展，动力电池的性能至关重要。动力电池的效能及其使用寿命对环境温度极为敏感，其理想的工作温度范围应控制在25℃至45℃之间。在充电与放电过程中电池会自然发热，导致内部温度升高。这种温度的上升会直接影响电池的多项性能指标，包括内阻、电压、状态-of-电荷（SOC）、实际可用容量、充放电效率以及电池的整体寿命。特别是在极端条件下，锂离子电池若长时间运行，不仅会加速老化，埋下安全隐患，导致事故发生。

1模组及PACK的成组方式

基于壳体边界约束并力求电池包空间效率最大化的原则下，采用了四种创新性模组架构。具体而言3P16S及其变体3P16S-1，还有3P6S与3P6S-1，这两组模组呈现镜像对称布局。于后侧边缘，两个3P16S模组被安置；在主开关装置（MSD）下方的后中区域，则配置了一个3P14S模组[1]。电池包中心区域密集排列了五个3P6S模组，而最前端则独占一个3P9S模组。整体上电池包由3P85S构成，其详细的结构排布请参阅图1。

2电池系统结构部件温度场分析

2.1单体和模组的温度场分析

通过应用计算流体力学（CFD）分析，对单体电池在变化工作条件下的热行为进行了深入探究，具体结果参见图2。观察发现电池芯中心区域展现出了显著的高温特征，与周边区域形成鲜明对比，温度梯度分布清晰可见。

借助计算流体力学（CFD）技术，对电池模组的温度场特性展开了细致研究，详情请参阅图3。聚焦于模组内部热传导机制，特别针对3P9S与3P16S两种标准配置的模组，实施了PTC加热仿真实验，设定加热时长为1800秒，环境基准温度定为0℃。PTC元件以每分钟0.35℃的升温速率，分别对两类模组施加热负荷[2]。图3所示，在1800秒加热后，3P9S模组的电池表面温差为5℃左右，高温区域没有出现明显改变。对于3P16S模组，同样条件下电池表面最高温差约9℃左右，高温区域同样没有出现明显的变化。

参照图4的电池包结构，选取具有代表性的单一模组进行热管理仿真测试。单体电池的产热率为0.5W，入口空气温度设定为28摄氏度，PTC元件与金属壳体实现热接触以促进散热[3]。仿真结果揭示，隔板中心区域有热量聚集现象，但电芯通过铝板的热传导运作正常；PTC构件紧挨着支架边沿的充分接触面有效地实现了热量的均匀分布。

2.2导热铝板传热分析

鉴于铝板与电池单元间夹层的PET薄膜具有较低的热导性，其确切的热传输效率不明，故通过仿真分析，对比了含与不含PET膜情况下的热传导性能。PET膜的存在与否对温度梯度的影响仅约0.2摄氏度，差异微乎其微。

3电池包热仿真

基于原有的箱体架构，充分考量内部模块的实际几何形态及热仿真所需模型的特定要求，对结构进行了精简，剔除了诸如螺丝、螺母、安装孔和加固肋条等细小部件，从而构建出适于数值仿真的简化模型[4]。利用电池系统中可利用的空余空间，创新设计了散热架构，并提出了多种结构方案。通过对比分析这些方案在热仿真中的数据表现，评估了各设计的合理性及其潜在局限性。

3.1电池包原始风道结构热仿真

原始风道设计下的电池包热效仿真实验结果，如图5所示，电池体上部表层的温差大约在10℃左右，且末端模组侧边温度偏高。此现象主要归咎于末端模组密集排列，导致热量积聚，引起显著的温差。经由分段仿真与整体电池包的综合分析，确认了模组整体表面温差确实接近10℃。由于风流被引导至电池包的中心区域，中心的3P6S模组温度相对较低。而位于后端的3P16S/3P14S模组，由于高度差异导致热量在中间区域积聚，形成