Fluent 电池温度仿真：蛇形液冷板热管理分析

本项目针对一个 120 串、8 并的电池包液冷系统开展 Fluent CFD 热仿真，目标是优化蛇形流道冷板设计，保证 3C 放电条件下电芯最高温度不超过 45 °C。冷却介质为 50% 乙二醇水溶液，进口温度 25 °C，流量分别设置 4、8、12、16 L/min 进行对比。冷板厚度 0.9 mm，内部为 6 条并联蛇形流道，电芯与冷板之间采用导热垫接触。

仿真采用 Fluent 中的共轭传热（CHT）模型，同时求解流道内对流换热与冷板-电芯固体导热。湍流模型选用 SST k-ω，因为流道雷诺数在目标流量下处于过渡-湍流区间。网格对流道边界层进行加密，y+ 控制在 1–3 之间；固体区域采用六面体网格，总网格量约 280 万。边界条件包括进口 mass-flow-inlet、出口 pressure-outlet 以及电芯体积热源。

案例分析

流量 8 L/min 时，仿真得到电芯最高温度 40.1 °C，出口冷却液温度 40.4 °C，核心-出口温差仅 0.3 °C，说明冷板换热充分。冷板流阻为 8.4 kPa，在车载水泵能力范围内。对比不同流量：4 L/min 时最高温度约 47 °C（超标），12 L/min 与 16 L/min 最高温度降至 38 °C 与 36 °C，但流阻与泵功显著增加。综合热性能与能耗，项目组选定 8 L/min 作为设计点。

温度分布云图显示，电芯中心区域温度最高，靠近流道转弯处由于流速降低会出现局部热点；沿流道方向温度逐渐升高，出口侧比进口侧高约 15 °C。6 条并联流道流量分配相对均匀，最大偏差小于 8%，这得益于入口腔的稳压设计。若改为 4 条并联流道，同流量下最高温度会升高 3–4 °C。仿真还评估了 40 °C 环境温度：8 L/min 下最高温度会升至 47 °C，需提升流量至 12 L/min 才能保持在 45 °C 以内。

总结教训

本项目的第一个教训是共轭传热必须同时求解流体与固体域，若仅做流体分析再用等效换热系数施加在固体边界上，最高温度会被低估约 4 °C。第二个教训是边界层网格质量决定流阻与换热系数精度。y+>5 时，流阻误差可达 15%。第三个教训是电芯体积热源的均匀性假设不成立，本项目先按实验测得的单体电芯平均产热率加载，后续可加入电芯内部热阻分布进行细化。

项目经验

1. 电池包液冷仿真建议采用 Fluent 共轭传热（CHT）模型。
2. 蛇形冷板使用 50% 乙二醇水溶液，进口 25 °C，6 条并联流道。
3. 8 L/min 流量下电芯最高温度 40.1 °C，出口 40.4 °C，流阻 8.4 kPa。
4. 3C 放电设计点选 8 L/min，兼顾散热与泵功。
5. 4 L/min 时最高温度 47 °C，超过 45 °C 安全限，不推荐。
6. 环境温度 40 °C 时，8 L/min 下温度升至 47 °C，需提至 12 L/min。
7. 流道转弯处易出现局部热点，建议增大转弯半径或增加局部流速。
8. 边界层网格 y+ 控制在 1–3，流阻误差可控制在 5% 以内。
9. SST k-ω 模型适合低雷诺数过渡流与强曲率流道。
10. 6 条并联流道流量分配偏差应小于 10%，入口腔稳压设计是关键。
11. 冷板厚度 0.9 mm 在强度与传热间取得平衡，过薄会增大热阻。
12. 本项目模型可扩展到电池包整包热管理与冷板拓扑优化。

补充经验

1. 冷板拓扑优化表明，采用树状分支流道可在相同压降下将热阻再降低 8%–12%。
2. 若使用相变材料（PCM）包裹电芯，5C 放电峰值温度可推迟 60 s 出现，适合短时大功率脉冲工况。
3. 不同电芯老化程度会导致内阻增加 20%–40%，热设计应按 80% SOH 工况进行校核。

复现参数速查（案例图硬参数）

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