積鼎流體仿真軟件VirtualFlow: 鋰電池液冷散熱數(shù)值計(jì)算

電池包在運(yùn)作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量的熱，熱會(huì)在電池包內(nèi)積累，隨著車輛的使用，電池包內(nèi)的部件會(huì)老化損傷，安全隱患極高，如何給電池包散熱就顯得非常重要。本文采用積鼎VirtualFlow對電芯、冷板以及冷卻液進(jìn)行散熱仿真計(jì)算，分析鋰電池模組穩(wěn)態(tài)散熱效果，并與Fluent軟件結(jié)果進(jìn)行對比，表明VirtualFlow與Fluent計(jì)算結(jié)果的溫度偏差控制在3℃以內(nèi)。

一、計(jì)算域與網(wǎng)格

固體計(jì)算域包括電芯、母排、正負(fù)極、導(dǎo)熱膠以及電池包外殼，流體域?yàn)橐后w冷卻通道。

圖1 流體域示意圖

本算例中，VIrtualFlow采用笛卡爾網(wǎng)格，只需要如下流體域尺寸和設(shè)置加密區(qū)域，即可自動(dòng)生成網(wǎng)格。Fluent的網(wǎng)格采用FluentMeshing進(jìn)行劃分，為多面體網(wǎng)格。

圖2VIrtualFlow網(wǎng)格設(shè)置

圖3VIrtualFlow網(wǎng)格細(xì)節(jié)

圖4Fluent網(wǎng)格

二、計(jì)算設(shè)置

本算例采用標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon湍流模型，介質(zhì)水。固體材料的屬性參數(shù)如下表。

表1 固體材料屬性

入口速度為0.1m/s，溫度為300K。出口邊界設(shè)置為壓力出口。設(shè)置三個(gè)電芯為發(fā)熱功率100000W/m3的熱源。本算例的共軛換熱，采用穩(wěn)態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

三、計(jì)算結(jié)果

VirtualFlow與Fluent計(jì)算得到模組溫度云圖如下。為了比較云圖的效果，統(tǒng)一其溫度分布范圍。

(a) VirtualFlow (b)Fluent

圖5模組內(nèi)部溫度云圖（為了網(wǎng)格的設(shè)置，VirtualFlow對進(jìn)出口管壁進(jìn)行了加厚）

圖6模組中截面溫度云圖

從上圖可以看出，由于采用液冷的方式，模組在靠近水冷板處的溫度較低。模組內(nèi)部各部件的溫差控制在40K以內(nèi)，此外由于導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱作用較強(qiáng)，其溫度與相鄰的電芯溫度基本一致。

下圖為冷板內(nèi)部流體域的溫度和速度云圖，從圖中可以看出，水通過冷板與電芯進(jìn)行了換熱后，從入口流到出口的過程中其溫度呈上升趨勢。

(a) VirtualFlow (b)Fluent

圖7冷板內(nèi)部流體域溫度云圖

(a) VirtualFlow (b)Fluent

圖8冷卻通道中截面速度云圖

通過上述計(jì)算結(jié)果可得以下結(jié)論：

1、VirtualFlow與Fluent的計(jì)算結(jié)果基本一致，VirtualFlow計(jì)算結(jié)果中個(gè)別位置的溫度略低于Fluent，其溫度最大偏差在3℃以內(nèi)。

2、VirtualFlow與Fluent計(jì)算的流體速度分布基本一致。

四、總結(jié)

運(yùn)用VirtualFlow可以對電池模組進(jìn)行散熱計(jì)算，其與Fluent軟件的計(jì)算結(jié)果基本一致。VirtualFlow與Fluent等主流CFD軟件相比，其主要特色在于：

1.快速生成高質(zhì)量網(wǎng)格，同時(shí)采用IST網(wǎng)格技術(shù)，流體域與固體域使用同一套網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分更方便，而且可以高精度求解共軛換熱問題。

2.VirtualFlow的前處理對機(jī)器的性能要求較低，普通的辦公筆記本或者臺(tái)式機(jī)即可處理一億以上的網(wǎng)格算例。

3.VirtualFlow的湍流模型、多相流以及相變模型已在上百個(gè)場景驗(yàn)證，其求解精度與Fluent同一級(jí)別，其可滿足大部分單相流、多相流場景的仿真需求。

4.作為具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)軟件，VirtualFlow可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行深度的二次開發(fā)。

由積鼎科技自主研發(fā)的通用計(jì)算流體力學(xué)軟件VirtualFlow，具備行業(yè)領(lǐng)先的網(wǎng)格建模與求解技術(shù)，和豐富的多相流物理模型及先進(jìn)的相變模型，可模擬單相和多相/多組分物質(zhì)流動(dòng)、傳熱、界面追蹤、粒子追蹤、相變、水合物反應(yīng)等復(fù)雜問題，可為工業(yè)各行業(yè)用戶提供專業(yè)級(jí)流體仿真解決方案。

審核編輯 黃宇