电池包凝露的仿真方法

背景

电池包内部湿空气凝露产生的液态水会导致关键零部件锈蚀，绝缘耐压强度下降，甚至引发短路。极端情况下，可能造成高压系统拉弧、控制失灵，最终诱发电芯热失控，导致车辆起火，严重威胁人员安全。  

在高温高湿的季节，电池包外部环境本身就利于水汽积聚。而电池包内部环境“天生”容易产生凝露，电池包存在“冷热”两极：电池热管理系统中的液冷板是典型的“冷源”，而工作时的电池模组是“热源”。电池包内部的湿热空气，在经过低温的冷板或冷却管路时，非常容易产生凝露。  

 

冷凝的发生  

 

在3D CFD仿真中，模拟电池包内部湿空气的冷凝现象，往往计算量大且求解不稳定，很难快速评估方案，也难以用于瞬态工况仿真。本文将介绍GT-SUITE模拟电池包内部湿空气的凝露现象的建模方案。  

GT的凝露模拟

在GT-SUITE中，凝露有2种物理模型：①平衡冷凝（蒸发）模型；②非平衡冷凝（蒸发）模型。平衡冷凝模型：基于热力学平衡假设，判定冷凝发生的条件为壁面温度低于气流露点温度。非平衡冷凝模型：考虑实际换热过程中的动态效应，允许在壁面温度高于露点温度时仍发生冷凝，更贴近真实场景中表面优先凝露的物理现象。推荐使用非平衡冷凝模型。

平衡和非平衡冷凝  

 

 

温湿度表  

 

 

管路中非平衡冷凝模型的激活  

3 凝露仿真的建模方案

本文以两个模组为例，展示凝露仿真的建模方法。其中进水温度20℃，进水流量10L/min，环境温度35℃，相对湿度80%。所用模型虽然简单，但用户可以方便地扩展至实际的复杂电池包结构。

GEM3D模型及其导出的GT模型  

 

 

凝露建模需要考虑以下要点：  

• 冷板是主要的冷源，故冷板的热分辨率必须要高，故建议采用有限元建模，该冷板网格数为4万。
• 电芯是热源，表面不容易发生凝露。分辨率不需要很高，故可以采用多热节点/单热节点。简单起见本例采用单热节点的方案
•  电池包内的空气域需要进行离散，特别是在垂直方向（冷板的法线方向）
  GEM3D的方便之处还在于可以自动识别并建立流体域和冷板（有限元）、流体域和电芯（热节点）之间的对流换热关系，以及冷板和电芯之间的热传导关系，这大大降低了系统仿真的建模工作量    
  
     
     
  电池包内部空气域的离散    
  
     
     
  冷板内部冷却液流道的离散    

计算结果

可以预期，越靠近冷板的空气域越容易发生冷凝，其中1,2,3,6,9号网格最容易发生冷凝。

下图为冷板的温度分布，可以很容易看出1,2,3,6,9号网格处的冷板温度较低。其中1,2号进口位置温度最低。  

冷板的温度分布

下图为靠近冷板的9个网格的冷凝水的累积质量。可以看出1,2,3号网格的凝露量最大。  

 

 

 

冷凝水的累积质量