积鼎流体仿真软件VirtualFlow: 锂电池液冷散热数值计算

电池包在运作的时候会产生大量的热，热会在电池包内积累，随着车辆的使用，电池包内的部件会老化损伤，安全隐患极高，如何给电池包散热就显得非常重要。本文采用积鼎VirtualFlow对电芯、冷板以及冷却液进行散热仿真计算，分析锂电池模组稳态散热效果，并与Fluent软件结果进行对比，表明VirtualFlow与Fluent计算结果的温度偏差控制在3℃以内。

一、计算域与网格

固体计算域包括电芯、母排、正负极、导热胶以及电池包外壳，流体域为液体冷却通道。

图1 流体域示意图

本算例中，VIrtualFlow采用笛卡尔网格，只需要如下流体域尺寸和设置加密区域，即可自动生成网格。Fluent的网格采用FluentMeshing进行划分，为多面体网格。

图2 VIrtualFlow网格设置

图3 VIrtualFlow网格细节

图4 Fluent网格

二、计算设置

本算例采用标准的k-epsilon湍流模型，介质水。固体材料的属性参数如下表。

表1 固体材料属性

入口速度为0.1m/s，温度为300K。出口边界设置为压力出口。设置三个电芯为发热功率100000W/m3的热源。本算例的共轭换热，采用稳态进行计算。

三、计算结果

VirtualFlow与Fluent计算得到模组温度云图如下。为了比较云图的效果，统一其温度分布范围。

(a) VirtualFlow                              (b) Fluent

图5 模组内部温度云图（为了网格的设置，VirtualFlow对进出口管壁进行了加厚）

图6 模组中截面温度云图

从上图可以看出，由于采用液冷的方式，模组在靠近水冷板处的温度较低。模组内部各部件的温差控制在40K以内，此外由于导热胶的导热作用较强，其温度与相邻的电芯温度基本一致。

下图为冷板内部流体域的温度和速度云图，从图中可以看出，水通过冷板与电芯进行了换热后，从入口流到出口的过程中其温度呈上升趋势。

(a) VirtualFlow                              (b) Fluent

图7 冷板内部流体域温度云图

(a) VirtualFlow                              (b) Fluent

图8 冷却通道中截面速度云图

通过上述计算结果可得以下结论：

1、VirtualFlow与Fluent的计算结果基本一致，VirtualFlow计算结果中个别位置的温度略低于Fluent，其温度最大偏差在3℃以内。

2、VirtualFlow与Fluent计算的流体速度分布基本一致。

四、总结

运用VirtualFlow可以对电池模组进行散热计算，其与Fluent软件的计算结果基本一致。VirtualFlow与Fluent等主流CFD软件相比，其主要特色在于：

1. 快速生成高质量网格，同时采用IST网格技术，流体域与固体域使用同一套网格，网格划分更方便，而且可以高精度求解共轭换热问题。

2. VirtualFlow的前处理对机器的性能要求较低，普通的办公笔记本或者台式机即可处理一亿以上的网格算例。

3. VirtualFlow的湍流模型、多相流以及相变模型已在上百个场景验证，其求解精度与Fluent同一级别，其可满足大部分单相流、多相流场景的仿真需求。

4. 作为具备完全自主知识产权的国产软件，VirtualFlow可以根据用户需求进行深度的二次开发。

由积鼎科技自主研发的通用计算流体力学软件VirtualFlow，具备行业领先的网格建模与求解技术，和丰富的多相流物理模型及先进的相变模型，可模拟单相和多相/多组分物质流动、传热、界面追踪、粒子追踪、相变、水合物反应等复杂问题，可为工业各行业用户提供专业级流体仿真解决方案。

审核编辑 黄宇