VirtualFlow流体仿真软件:锂电池液冷散热的数值新纪元

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。

积鼎流体仿真软件VirtualFlow: 锂电池液冷散热数值计算的图1

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。

积鼎流体仿真软件VirtualFlow: 锂电池液冷散热数值计算的图2

图2 VIrtualFlow网格设置

积鼎流体仿真软件VirtualFlow: 锂电池液冷散热数值计算的图3

图3 VIrtualFlow网格细节

积鼎流体仿真软件VirtualFlow: 锂电池液冷散热数值计算的图4

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

积鼎流体仿真软件VirtualFlow: 锂电池液冷散热数值计算的图5

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。

积鼎流体仿真软件VirtualFlow: 锂电池液冷散热数值计算的图6

(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)

积鼎流体仿真软件VirtualFlow: 锂电池液冷散热数值计算的图7

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。

积鼎流体仿真软件VirtualFlow: 锂电池液冷散热数值计算的图8

(a) VirtualFlow                             (b) Fluent

图7 冷板内部流体域温度云图

积鼎流体仿真软件VirtualFlow: 锂电池液冷散热数值计算的图9

(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。



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