动力锂电池pack设计中的热流体仿真分析

动力锂电池pack设计中的热流体仿真分析摘要：锂电池Pack设计需要保证电池始终处在一个比较舒适的温度环境（电池温度范围：15-40℃；电池之间的温差：5-10℃）下工作，从而保证整车的长寿命、良好的续航里程性能、良好的功率性能以及较短的充电时间。

锂电池Pack设计中往往会借助热流体仿真分析来辅助工程师完成pack热管理系统设计，本文从现状出发，介绍了锂电池pack设计中的必备理论知识以及仿真工具，并深入研究了的热流体仿真的基本理论。关键词：锂电池pack 热流体仿真

1 pack热管理设计流程概述

在热管理系统设计阶段，可对Pack、模组或电池进行热场仿真分析，根据仿真结果快速地选择出冷却、加热和保温方式；在冷却子系统设计阶段，可以对Pack、模组或电池（带冷却子系统）进行热场和流场仿真分析，根据仿真结果确定冷却通道设计、冷却介质、冷却入口温度和流量以及风扇或泵的参数等。

借助热流体仿真分析工具，大部分的Pack热管理设计工作和部分测试工作都可以在电脑上完成。大量的设计、制造、测试工作可以被省略，Pack设计的成本也会大幅度下降。

2.基础知识简介和常用热流体仿真工具介绍

热流体仿真工程师需要具备相关的理论知识和工程经验。此外，仿真往往需要借助一些工具。

2.1仿真工程师必备的知识

Pack热流体仿真工程师需要具备以下三个方面的技能和经验：

1）坚实的热流体理论基础。具备完善、扎实的热流体理论知识，能对工程中的传热与流动问题进行理论分析。

2）扎实的数学功底。热流体仿真分析是将热流体物理现象抽象成数学模型，利用数值方法进行求解。

3）丰富的工程实践经验。对于不同的问题能够进行合理的模型简化，能够结合自己的工程经验对实际问题进行评估并提出解决方案。

2.2热流体仿真软件介绍

热流体仿真软件大体分为三类：前处理软件、求解器和后处理软件：常用的前处理软件主要有Gambit、ICEM-CFD、Ansys Workbench等；求解器主要有Ansys Fluent、FloThermal、Star CCM+、X-flow、AVL Fire等；后处理软件主要有Tecplot、Anasys Workbench等。

在某些情况下，还需要仿真工程师根据实际情况编写一些仿真程序。常用的编程语言有Fortran、Matlab、C/C++等。

3.热流体仿真基础理论

热流体仿真是将工程中涉及的传热和流体流动的物理现象用数学模型进行描述，然后利用数值方法对这些数学模型进行求解并得到相关的物理量（如温度、流体速度、流体压力等），进而为工程设计提供指导。

3.1传热与流体流动理论基础

3.1.1热传递的三种方式

热传递的三种基本形式是：传导、对流和辐射。

当物体之间直接接触时，依靠微观粒子热运动而产生的热量传递称为导热。气体中的导热是气体分子不规则热运动的结果。导电固体的导热是自由电子在晶格中互相碰撞的结果。

非导电固体中的导热是通过晶格的振动来实现的，即一种弹性波。液体中的导热机理，一种认为与气体类似，另一种认为与非导电固体类似。

导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比于垂直于该截面方向上的温度梯度。即傅里叶导热定律，式（1）是其数学描述

）

（x T/A -∂∂=Φλ （1） 式中，-表示热量传递方向与温度升高的方向相反：φ为单位时间内通过截面的热量；

λ为物体的导热系数；A 为截面面积；T 为物体温度；x 为垂直于截面方向上的维度。

工程中将流体流过固体表面时热量的传递过程称为对流换热。对流换热包括导热和热对流两种现象。热对流是指由于流体宏观运动引起的冷、热流体相互掺混，进而导致的热量传递的过程。固体与流体界面通过对流换热传递的热量可以通过牛顿冷却公式进行计算，如式（3）所示。

）

（f w T -T hA =φ （2） 式中，φ为单位时间内通过界面的热量；h 为对流换热系数；A 为固体与流体接触面积；

T w 为接触面固体的温度；T f 为流体的温度。

辐射换热则是由物质的电磁波运动引起的热量传递过程。辐射换热可以在真空中进行。 3.1.2流体动力学控制方程

流体力学研究的是流体的宏观平衡和运动规律。描述流体动力学机理的数学模型可通过基本物理原理推导出来：通过质量守恒定律可推导出连续性方程；通过牛顿第二定律可推导出动量方程；通过能量守恒定律可推导出能量方程；。

对于一个流体微元，质量守恒定律可解释为单位时间内流体微元质量的增量等于通过流体微元边界流入的净质量。可以表示成式（3）

()0z /w y /v x /u Dt /D =∂∂+∂∂+∂∂+ρρ （3）

式中，ρ为物体的密度；t 为时间；x ，y ，z 为笛卡尔坐标的三个维度；u 、v 、w 分别为流体在x 、y 、z 方向的分速度。

动量守恒定律可以解释为流体微元动量随时间的变化率等于流体微元所受外力之和。可表示成式（4）、（5）（6）。

()x z y x x p z u

y u f w v zx yx

xx

ρρτττ+++

+-=+++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂x u t u u （4）

()y p v

v f w v zy yy xy

ρρτττ++

+

+

-=+++∂∂∂∂∂∂∂∂v v u （5）

()z z y

x z p z w

y w f w v zz yz

xz

ρρτττ+++

+-=+++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂x w t w u （6）

式（4）、（5）、（6）分别为x 、y 、z 方向的动量方程，p 为流体的压力；τab 为作用在a

平面上指向b 方向的应力；f x 、f y 、f z 分别为作用在流体上的体积力在x 、y 、z 方向上的分加速度；

能量守恒定律可以解释为流体微元内能量的增加率等于进入流体微团的净热量加上体积力和表面力对流体微元做的功。可表示成（7）

()v

f ---q e y

w x

w z

v x

v z

u y

u z

w y

v x u z

wp y vp x up z T y T x T 2v Dt D

yz xz zy xy zx yx zz yy xx 2

2

2

2

2

2

2

ρλλλρρδτδδτδδτδδτδδτδδτδδτδδτδδτδδδδδδδδδδδδδ++

+

+

+

+

+

+

+

++++=+）（）（）（）（）（）（）（）（）

（）（）（）（ （7）