一、导读
本案列电池系统采用液冷热管理方式的，如图1和图2所示是电池PACK系统前处理模型，主要包括：上下箱体，液冷板，导热垫、隔热护板、绝缘板、模组等结构，由4个模组成，每个模组由18个50Ah方形电芯组成。
液冷系统采用两进两出的并联方式，箱体采用集成液冷系统设计，通过型材水冷板总成和框架总成通过FDS工艺和涂胶工艺进行固定和密封，该系统优势在于液冷系统的结构组件借用了箱体的结构组件使得电池系统更轻。
利用ANSYS-SCDM软件对电池包PACK建模前处理，以STAR-CCM+软件作为液冷系统流场仿真和PACK热场仿真的工具，建立热流场仿真分析模型，最终实现了对动力电池在低温停车加热工况，常温行车、高温行车等工况PACK内部电池温度变化情况仿真，同时实现了对液冷系统内部压降和流量均匀性仿真，对冷板结构设计提出合理依据。
图1 PACK系统简化数模
二、模型简化
通过分析数模的结构组成及各部件的作用以评估各部分对热系统的影响，进而决定对部件的保留、简化、还是舍弃。模型简化的原则，在尽可能仿真精度的情况下，通过简化减少网格的数量同时提高网格质量，提高计算效率。如图3和图4分别是动力电池模组简化前后得模型。
图3 简化前模组
图4
简化后模组对于流场仿真：在处理几何模型时，应保留所有管道的内径和液冷板内流道尺寸不变，对管路弯曲、管道变径、局部弯头等细节特征保留，水管要做到不扭曲，弯角过度平滑，同时保证简化后接头装配良好，对管路、接头、冷板的外部可进行适度的简化以减少网格量。对于热仿真：模型中的线束、挂耳、螺丝螺套、铜排、bms管理部件等对热管理系统影响较小，可舍弃；对于热管理系统影响较大的零件几何特征可以适当简化，如倒角结构、结构对齐等。简化完成后，检查整个模型是否有干涉和其他问题，如有问题，可用ANSYS-SCDM软件对其进行修复，如无问题，可利用SCDM对模型进行流体域的抽取。
三、热管理设计为了使动力电池保持在合理的温度范围内工作，电池包必须拥有科学和高效的热管理系统。主要如下几项主要功能：
1、电池温度的准确测量和监控；
2、电池组温度过高时的有效散热和通风；
3、低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；
4、保证电池组温度场的均匀分布。电池热管理系统设计的主要目标是：在考虑空间布置、设计成本、轻量化等条件下，通过加热或冷却控制，保证电池系统工作在相对适宜的工作温度，同时减小单体间温度，保证一致性。热管理系统设计结构图如下：
图5 热管理系统设计结构图
五、 仿真分析
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，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。下面基于案例的方式，介绍一下动力电池热管理仿真分析的基本流程和技巧。该案列液冷系统的设计目标为：在指定工况下运行，电池系统内部电芯的最大温度小于50℃；电芯之间的温差小于等于5℃；液冷系统的压降小于10kPa，依据下图*电芯单体的产热数据，计算在1c满放的情况下电池系统的产热功率。
利用STAR-ccm+软件的VOF模型，清楚的仿真出液冷板内从开始注入冷却液到注满冷却热的过程。设置进口两相材料的体积分数：cooling water：air=1：0
设置出口两相材料的体积分数cooling water：air=0：1
定义进口质量流量值：（4L/min）从云图6中我们可以看到，在不到1min的时间内，冷却液充满整个液冷板内腔。同时在流道的转弯区有漩涡现象，有优化空间。
图6 冷却液流动云图（动图）
图7 1c放电发热功率
图8通过STAR-CCM+仿真工具计算出来的液冷系统的压力云图，从仿真的结果上看，系统的压降为1.8kPa，整个系统采用两进两出的两个并联结构，流量的均匀性必然满足设计要求。
图8
图8为随着时间变化的电池系统的温度云图
该工况模拟了新能源汽车在夏天室外环境曝晒一天后，启动汽车进行高速行驶工况，属于电池系统的高温冷却工况，图10高温冷却电芯温度变化曲线上，分析得出1C满放的工况时，在冷却系统作用下，最高温度40.6℃，电芯间的最大温差1.8℃，满足热设计目标，在曲线末端出现温升现象，由图7可看出电芯在放电末端发热量较大，通过计算，第Ⅱ阶段电芯的平均发热量是第Ⅰ阶段的1.8倍，导致曲线末端出现温升现象。
图9 高温冷却电芯温度变化云图
图10 高温冷却电芯温度变化曲线
图11为在常温高速行车工况电池温度随着时间变化的温度云图，该工况模拟了一般常温条件下，驾驶员在高速上高速行车。
初始环境温度为20℃，当监测点最低温度大于38℃开启冷却系统，冷却液单个进口流量4L/min，入口温度22℃。图14为常温行车电芯监测点温度变化曲线，总个工况分为两个工作过程，分别为0-3368S液冷系统未开启的第Ⅰ阶段和3369s-3600s液冷系统开启的第Ⅱ阶段。
在第Ⅰ阶段，电芯温度随着放电进行持续升高，在第3368s最低温38℃，温差3.1℃，满足系统设计目标5℃；在第Ⅱ阶段的第3369s开始液冷系统进行冷却，但温度还继续升高，一方面由于热惯性的存在，另一方面，由于电芯放电末端发热量倍增，导致开始冷系统后电芯温度继续上升主要因素。
到了3548s由于冷却系统作用电芯的温度出现下降。整个过程最高温度42.7℃，最大温差3.2℃，满足设计目标。
图11 常温高速行车电芯温度变化云图（动图）
图12常温高速行车电芯温度变化曲线
图13为在低温工况电池系统随着时间变化的温度云图，该工况模拟了新能源汽车在冬季寒冷得季节放置车库一夜后，启动汽车把电池加热到能工作温度并进行高速行驶工况。
初始环境温度为-20℃，当监测点最低温度不小于5℃时关闭液冷系统，冷却液单个进口流量4L/min，入口温度30℃。
整个仿真过程包括低温加热和1c放电工况，在低温加热工况下，电芯监测点最高温度10.9℃，最大温差6℃，液冷系统加热速率为1.6℃/min；1c放电工况，检测点最高温度30℃，放电末端温差在3.7℃内。温
差整体先增大后减小，加热拉大电芯温差，放电过程温差减小，主要是由于放电过程中每个电芯发热量一样，发热较电芯底部加热热量更加均匀。
图13低温加热电芯温度变化云图
图14 低温加热电芯温度变化曲线
以上是笔者关于新能源汽车动力电池液冷系统热流体仿真分析，希望对大家有所帮助，如有不当，欢迎批评指正。
作者介绍
LEVEL老师，机械工程专业，硕士学历，整车厂在职电池包热管理工程师，有丰富的动力电池热管理仿真技术与实际测试工作经验。
学习或工作经历：南京工业大学车辆工程专业，硕士学历；主要负担电池包总成仿真分析等。服务过的主要客户主要包括吉敏安、利、江淮、奇瑞、等主机厂项目，拥有2篇动力电池热管理设计专利。
案例：基于目前市场上主流的动力电池的热管理设计都是采用液冷设计，本案列以采用液冷的方式对新能动力电池进行液冷或液热，以ANSYS-SCDM软件做为电池包PACK建模的前处理器，以STAR-CCM+软件作为液冷系统流场仿真和PACK热场仿真的求解器，建立了液冷系统流场仿真和PACK热场仿真分析模型，最终实现了动力电池在低温停车加热工况，常温行车、高温行车工况PACK内部电池温度变化情况，提出合理的对仿真结果评估的方法。
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动力电池系统中的液冷板应用【能源人都在看，点击右上角加'关注'】
随着乘用车IP67的要求成为必须，动力电池系统可供选择的冷却方式范围被严重收窄。在比较成熟的冷却方式中，风冷除了想办法与其他热传递手段配合使用外，已经基本被排除在乘用车电池包应用范畴以外。再加上特斯拉的示范效应，水冷不再是预研课题，而成了尽快商业化的重点。本文主要涉及动力电池液冷系统中的一个点，液冷板。前半部分液冷板基本知识，后半部分当前典型车型的液冷板应用形式。
液冷板，似乎并没有什么统一的定义，我们仅就动力电池包的液冷板这个应用场景，给它下个定义，暂且这样描述：动力电池系统中，电池工作产生多余热量，热量通过电池或者模组与板型铝质器件表面接触的方式传递，最终被器件内部流道中通过的冷却液带走。这个板型铝质器件就是液冷板。
对液冷板的一般要求
散热功率大，能够及时导出动力电池工作过程中产生的多余热量，避免过量温升的发生；
可靠性高，在道路车辆环境工作，振动、冲击、高低温交变环境，对多数产品都是比较严酷的工作条件，而动力电池电压动辄几百伏，冷却液泄漏是个严重问题，即使你使用绝缘性能好的冷却液，但遇到外部杂质后，绝缘性能会立即降低，因此，冷板密封可靠性很重要；
散热设计精准，避免系统内温差过大，这是出于锂电池自身性能的要求，电池的性能和老化都与工作温度密切相关；
对冷板的重量有严格要求，这来自于动力电池系统对能量密度的追求，严重拉低系统能量密度的冷却系统，是客户和设计者都根本无法接受的。
几个液冷板产品示例
某厂家甲液冷板产品实例
液冷系统利用液体流动换热系数较大的特性，依靠液体流动转移高热量，是目前最有效的散热方式之一，可消散几百瓦到上千瓦的热量。该厂家标准管路液冷板通过放置冷却液管，直接与被冷却设备底板接触，可以在设备和冷却液之间减少热交换介面的数量，从而维持最低热阻，提高性能。
该厂家是根据液冷板的工艺类型对液冷板类型做划分，主要有：真空钎焊式水冷板（Aluminum Vacuum Brazing Coldplate）、搅拌摩擦焊式水冷板（FSW Coldplate）、埋管式水冷板（Exposed Tube Coldplate）和深孔钻/腔体式水冷板（Aluminum / Copper Plate Long Hole Drilled）等几种液体冷却方式。他们各自的优缺点，可参照下表。
典型参数：
某厂家乙液冷板产品实例
这家是根据产品的最显著特征对冷板类型做划分的，共包括三种类型。
类型1，强调散热性能。在流体路径中采用翅片结构，增加与冷却液的接触面积，从而提高了热传导性能。产品具有真空钎焊构造，可提供定制化配置。
类型2，强调低压降。液冷板采用专门制作的CNC铣削微流道，在底板上形成流体通道。在低压降条件下，具有卓越的散热性能，从而降低了流体循环系统的成本。
类型3，强调管路嵌入的结构形式。将管材嵌入底板中，形成机械性能牢固的冷板。表面延伸液冷板采用更粗且布置更密集的管材增加面积，从而扩大与冷却液接触的表面积，进而提高热传导性能。
某厂家丙冷板产品实例
这种产品，整体重量较轻，但自身不能承重。
液冷板典型工艺
液冷板生产工艺对比一般的风冷散热器来说更复杂，液冷散热对于工艺上的可靠性要求较高，因而有较强的技术沉淀的厂家才能提供可靠的技术支持。一般的液冷板生产技术工艺有下面几种。
埋管工艺
埋管工艺是用得最多的液冷散热器液冷板的制作工艺，一般来说是铝基板埋铜管，即将铝基板用CNC加工铣槽，再采用冲压机将已弯好形状的铜管压到铝基板上，再进行钎焊焊接，然后进行后加工成水冷板。埋管式的液冷板一般有三种形式：一是浅埋管液冷板；二是深埋管液冷板；三是焊管工艺；四是双面夹管工艺液冷板。三种形式的工艺都差别不大，加工的难度也是一样的。有些原本是针对大功率开关器件设计的液冷原理，在动力电池冷却系统中，也可以借鉴应用。
浅埋管工艺：适用单面安装，铜管压扁后与铝板同时铣面，充分利于铜管高导热性能带走热量，利用铝的轻量化起到减重及成本控制作用。
深埋管工艺：填料为美国进口高导热环氧树脂，被冷却器件温差要求不高的情况下，可单双面安装，因铜管厚度没有进行二次加工，且有填料保护可提供应用的安全性，特别适合冷媒为介质的冷板使用。
焊管工艺：适合铜板+铜管的方式，以此降低板材厚度起到减重效果。
双面夹管工艺：合两面安装器件，工艺简单成本低；铝板+铝管&铜管&不锈钢管。
型材+焊接
在型材的基础上加工而成的液冷散热器，此类散热器形状较多，有较多的种类，有板式，有通道式，有组合式的，大致的制作原理是在型材的基础上进行加工及焊接，将型材与接头管路组合成整体的液冷散热器。
利用挤压工艺将冷板流道直接成型，再通过机加方式打通循环，通常采用摩擦焊接、钎焊焊接等焊接工艺进行密封，此工艺生产效率高，成本低；不适用于散热密度过大的应用，不适合表面太多螺丝孔而限制水道走向或降低可靠性的应用条件。主要应用于：动力电池水冷散热加热装置、分水盒以及标准功率模块一体化散热产品。
机加工+焊接
水冷板采用机加的方式，内部流道尺寸、路径均可自由设计，适合功率密度较大、热源布局不规则、空间受限的热管理产品，主要应用于：风电变流器、光伏逆变器、IGBT、电机控制器、激光器、储能电源、超算服务器等领域的散热产品设计上，而在动力电池系统中应用较少。
微通道散热器，也是一种结合机加工和焊接工艺制造而成的散热器，它制作要比其他散热器复杂，微通道散热器一般用于散热功率较大而且散热较为集中的机器上，微通道的方式因为水道较宽而且较为均匀，能快速的带走集中的热量。但是微通道的液冷散热器制作工艺也较为复杂，一般是采用机加工微通道，再用摩擦焊的工艺进行焊接，制作成本也较高。
压铸+焊接
压铸工艺是非常成熟且应用广泛的成型方式，随着新能源汽车的快速发展, 成为电机控制器、动力电池包托盘及散热箱体成批量生产的首选方式，但需在工艺上控制压铸杂质、气孔等问题，保守采用密封圈方式或者采用摩擦焊焊接的方式，都需要在工艺上提高可靠性避免导致漏水问题。压铸成型再焊接，工艺控制良好，且制程稳定，具备批量交付能力。除了摩擦焊焊接工艺，部分水冷板还会采用钎焊或真空钎焊的焊接工艺。
这类水冷板，可以与电池包压铸箱体结合到一起考虑，Audi Q7 PHEV下层水冷板就是这类用法。在前两天的北京车展上，已经看到了成型的样品展示。
典型车型水冷板
在动力电池系统中，将热量从电芯表面带走的方式比较多，仅就作用范围不同，可以划分成集成在模组内部的电芯级别水冷板和设计在模组外部的模组级别水冷板。下面是来自 “动力电池热管理技术”公众号的多张图片，借以说明水冷板在实际案例中的应用形式。
模组级别水冷板
水冷板作为一个整体，同时作用在一个或者多个电池模块上，水冷板作为整个电池包的组成构件，而非电池模块的构件，我们就把它放在模组级别水冷板这个标题下面。
Audi Q7 PHEV 电池包
奔驰Smart Gen3电池包
Chevrolet Bolt 2017 电池包
Chevrolet Bolt 2017液冷板实物
宝马i3 液冷系统
宝马i3 液冷板实物
BMW i8的电池包和冷板
电芯级别水冷板
将水冷板或者导热性能良好的介质板材片材夹在电芯之间，成为模块的一部分，以达到更好的散热效果，这类我们放在模组内部水冷板这个标题下面。
Volvo XC90 T8电池包模组爆炸图
GM Volt模组结构
GM Volt冷却结构
特斯拉Model S 模组
特斯拉圆柱电池水冷板专利说明
观察应用案例我们可以看到：方形电池液冷系统，大多应用模组级别水冷板，并且一般放置在电池箱底部位置；软包电池液冷，则是模组内部集成小型水冷板的形式居多，也有模组中集成铝板，模组外部再设置模组级别液冷板的形式；圆柱电池，以特斯拉为首的蛇形管是主要液冷散热器形式。
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