0 前言
能源与环境的压力致使各国政府、汽车厂家、研发机构纷纷投入人力物力来研究传统内燃机的替代品，推动了混合动力汽车和纯电动汽车的发展。插电式混合动力汽车由于是混合动力向纯电动过渡的最优方案，受到各国政府和汽车厂家的高度重视，并陆续推出了自己相应的产品。电池作为插电式混合动力汽车的主要储能元件，是插电式混合动力汽车的关键部件，直接影响到整车的性能。锂离子电池由于工作电压高、功率密度和能量密度高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染等优点，目前插电式混合动力汽车上己大部分应用。锂离子电池包如果长时间工作在比较恶劣的热环境中，这将影响电池包的使用寿命，降低电池包的性能；电池包内温度长久不均匀分布，会导致电池模块、各单体间的性能不一致性；同时电池包的热管理对整车运行安全意义重大。热管理系统要实现的主要功能主要为：(1)电池温度过高时有效散热和通风；(2)保证电池组之间的温度均匀分布；(3)低温条件下的快速加热，使电池组能正常工作；(4)有害气体产生时的良好通风。锂离子电池包热管理系统的冷却包括空冷和液冷两种方式。由于空冷方式结构简单、重量相对较小、成本低且有害气体能有效通风，本文研究的基于某插电式锂离子电池包的热管理系统采用空冷方式冷却，自然满足(4)的功能要求，借助STAR-CCM+仿真软件，主要着眼点在于满足(1)和(2)的功能要求。
1 数值计算模型
1.1 几何模型及网格划分
图1为本文研究的某款插电式混合动力汽车锂离子电池包热管理系统结构示意图，冷却方式为空冷，冷却空气以抽风的方式从锂离子电池包外壳的进风口进入包内，如图1中红色箭头所示风的流向可以看出，主风道将气流按比例分为两股分别对电池包两边的电池模组进行散热，最终带有热量的空气从出风口被抽出。针对模组而言，该系统的结构设计为并联结构散热，模组与模组之间的散热风量互不干扰；但对单体电池而言，局部却客观存在不利于电池温度均匀分布的串行结构存在。
图1 某插电式锂离子电池包热管理系统示意图
考虑到该锂离子电池包热管理系统的实际散热情况，将计算域分成三部分：分别为流体域、电池域和散热翅片域，计算三者间的换热关系。该电池包产生的热量主要被散热翅片导出，然后经流过的冷却空气将散热翅片上面的热量带出包外，电池模组包的塑料外壳不参与换热，此处当做壁面处理。通过STAR-CCM+软件中的包面功能和剪切功能，得到所需的物理域后生成体网格，共计697万，如图2所示。其中电池域和流体域是Trimmer网格，总计430万，散热翅片域是两层Thin网格，共计267万。
图2 某插电式锂离子电池包热管理系统体网格划分
1.2 数值计算模型及算法
由于该锂离子电池包内冷却空气的流速不高，可以简化为不可压流体进行模拟计算，除了描述流动特性的连续性方程、动量方程和k-ε方程外，还包括一个能量平衡方程。在三维笛卡尔坐标系中，以张量形式表示的湍流对流换热控制微分方程如下：
连续方程：
动量方程：
能量方程：
湍动能方程：
湍动能耗散率方程：
1.3 边界条件及计算策略
入口边界设置为速度进口，出口边界设置为压力出口，其他地方设置为壁面边界条件。计算工况为初始温度30℃，1100秒最高车速纯电动工况，在纯电动工况结束后继续混动工况，直至电池温度达到稳态。为了快速得到求解的结果，先用稳态模型对流场进行求解，待稳定后重新选取非稳态模型对温度场进行求解。
2 计算结果及优化分析
2.1 流场分析结果对比
为了匹配风机，对原始模型进行了如表1．所示的6组流场分析计算，最后得到一条流量一压损的拟合曲线，通过风机的P-Q曲线找到工作点，最终确定热管理系统的进风流量为300m3/h。
表1 不同进口流量下对应的热管理系统总压压损
将进风口风速设定为7.26m/s，对原始模型进行温度场分析，发现该锂离子动力电池在1100s最高车速纯电动工况下的最高温度在锂离子动力电池的最佳使用范围以内，满足要求，模组之间的温差也在合理范围之内，满足该动力电池系统的温差要求。纯电动工况后进行混动工况的计算直至稳态，发现其最高温度和模组之间的温差都超过了该锂离子动力电池的最佳使用范围，会影响整个电池包的使用效率、寿命、甚至安全。通过与产品工程师充分沟通，结合工程实际提出了相应的优化方案，并对优化后的方案进行了相同工况下的模拟计算，结果对比如下：
该锂离子电池包热管理系统采用并联结构和空冷方式，流场结构直接影响动力电池的温度场分布，图3为优化前后该锂离子动力电池包模型的流线图。
图3 优化前后流线图对比
优化后，各个电池模组间的流场分布更加均匀，使流过的空气流速也更加的平均。流经两面翅片的空气量也相应增加，最终的电池模组间的温度会更加均衡。
2.2 温度场计算结果对比
图4为优化前后锂离子动力电池温度分布云图。比较两图，优化前，右排电池模组由于冷却风量不足，特别是右排前两个模组，为整个锂离子电池包的最高温度处，约为60.5℃，不满足锂离子动力电池的最佳温度使用范围；优化后的最高温度下降明显，降到了锂离子动力电池的最佳温度使用范围内。而最低温度几乎没有变化，均匀性显著提高。
图4 优化前动力电池温度分布云图
3 结论
应用STAR-CCM+计算流体软件能很好地模拟该插电式混合动力车用锂离子电池包的热管理系统在强制风冷下的流动状况和换热情况，对于优化设计而言的定量分析具有很好的指导意义。本文使用了STAR-CCM+计算流体软件的包面功能，极大的缩短了划分域和网格生成的时间，相应缩短了计算周期；同时，由于散热翅片裸露在空气中的面积很小并且其厚度极薄，无法直接包面得到，采用了STAR-CCM+计算流体软件中的Intersect Faces功能，极为方便的解决了实际中建模的困难，为优化动力电池热管理机构设计提供了很大的方便，进一步体现出CFD分析方法的优势。
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