#电动车专题系列4# GT-SUITE详细模组的电芯温度分析

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概要

续航问题是电动车面临的主要挑战之一。为了提升续航，电池厂不断增大电芯容量并优化电芯结构。而随着单体电芯容量的增加和结构I的变化，一个电芯内部的参数分布越来越得到工程师的关注。本文针对一个详细的水冷电池热管理模型，计算了不同冷却液流量下的电芯温度的差异，并在GT-SUITE中直接修改模组几何以快速评价新冷却方案，大大提高了处理效率。

1、模型介绍

下图为本文所用模组。该模组由20片软包电池串联而成，冷却形式为水冷，冷却液进入端板后，分为上下两个流道，然后流经电芯之间进行冷却。

GT-SUITE 提供了两种空间分辨率的电芯模型。一种是假设电芯内部电流和温度分布均匀，即“黑箱子模型”，只有一个电网格和热网格。第二种是考虑电芯内部的不均匀性，提供电芯内部参数的三维分布。本文采用具有三维分辨率的电池模型，分析不同冷却液流量下的电芯温度和电流分布的差异。该详细模组数模首先需要在GEM3D中进行前处理，处理的要点有：

流体管路离散为分叉管（flowsplit）和直管
水冷板离散为有限元（ThermalFiniteElement），共10000个网格
模组外壳离散为ThermalMass
电芯采用具有三维分辨率的电池模型（CellSpatial），电网格有25个电网格（即25个等效电路小电池），100个热网格。

最终所建模型如下图所示：

每一片电池的模型如下图所示：

2、电芯温度分析

电芯为36Ah的三元锂电池。充电倍率为3C，SOC从30%充到80%截至。电芯初始温度均为25℃，冷却液的进口温度为25℃。模组的冷却流量分别为10g/s、20g/s和40g/s。下图为3种流量下位于模组边缘处的电芯温度分布，低温区域主要集中在冷却液的进出口位置。很明显，增大冷却液流量，显著降低了电芯的温度，也降低了电芯内部的温度不一致性。

3个流量下的电芯温度分布（绿线为冷却液流向）

下图为冷却液流量为10g/s 时，10个电芯（由于模组中电芯对称分布，故只分析一半的电芯）的温度曲线，可以看到，在3C充电时，电芯的最大温度为34.6℃。边缘处电芯内部的温度不一致性在2.5℃左右，而模组中心处电芯内部的温度不一致性为1.8℃。模组内电芯之间的平均温度最大相差1.8℃。这些结果都表明该冷却方式是非常有效的。

10个电芯的温度曲线

3、修改冷却方案

在GT-SUITE中可以直接快速修改模组详细模型，从而避免修改CAD数模，大大提高了处理效率。本文将流经每片电芯之间的冷却液支管数减少2路，同时将流量减小为原来的6/8倍，以保证压损基本相同，分析电芯的温度分布。

下图为冷却流量为10g/s时，两种冷却方案的电芯温度分布。如图所示，两侧的高温区域有所扩大，最高温度升高了1.6℃。

综上所述，利用GT-SUITE的前处理工具和具有三维分辨率的电芯模型，能够快速得到在Pack和模组中的电芯的行为。

来源：艾迪捷

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