用Icepak軟件分析并驗(yàn)證某純電動(dòng)轎車(chē)電池組熱管理系統(tǒng)

熱設(shè)計(jì) 2021-01-27

前言

汽車(chē)的發(fā)展不僅推動(dòng)了現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)步，而且促進(jìn)了地區(qū)之間的交流，但同時(shí)也帶來(lái)了環(huán)境污染及能源消耗問(wèn)題。以電動(dòng)汽車(chē)為代表的新能源汽車(chē)將是解決汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題的重要途徑之一。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵零部件，直接影響著電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。因此，針對(duì)動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)研究是十分必要與迫切的。

設(shè)計(jì)性能良好的電池組熱管理系統(tǒng)，要采用系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法。很多研究文獻(xiàn)都介紹了各自設(shè)計(jì)的熱管理方法，因此，在儲(chǔ)能系統(tǒng)電池組應(yīng)用中，還需要對(duì)電池進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)。

但真實(shí)的電池組熱環(huán)境是極其復(fù)雜的，依靠傳統(tǒng)理論的手動(dòng)計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)產(chǎn)品研發(fā)的需求，因此需要借助成熟的 CFD 技術(shù)來(lái)完善對(duì)電池組熱特性的準(zhǔn)確評(píng)估與分析，合理優(yōu)化改善電池組內(nèi)部熱環(huán)境，提高其可靠性。

Icepak電子熱分析軟件可以解決各種不同尺度級(jí)別的散熱問(wèn)題，同時(shí)具備快速幾何建模、豐富網(wǎng)格類(lèi)型、網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)價(jià)工具、求解精度高且穩(wěn)定等技術(shù)性能指標(biāo)。

1電動(dòng)汽車(chē)熱管理必要性

電動(dòng)汽車(chē)電池組溫度不均會(huì)導(dǎo)致鋰電池容量分布不均，縮短整體電池組使用壽命，降低整車(chē)性能。通過(guò)設(shè)計(jì)高效的熱管理系統(tǒng)不僅能夠使電動(dòng)車(chē)電池組工作處于合理的溫度的工作區(qū)間，而且可以排除由于熱失控而產(chǎn)生的一系列潛在的危險(xiǎn)。當(dāng)電池組的工作溫度超過(guò)合適溫度需要對(duì)電池進(jìn)行散熱，保證電池組溫度場(chǎng)分布均勻；當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)需要對(duì)電池組進(jìn)行快速加熱，使電池組能夠正常工作。

2電池組熱管理仿真分析

2.1熱管理系統(tǒng)分析

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包括高溫冷卻和低溫加熱功能。熱管理高溫冷卻方式主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻；熱管理低溫加熱方式主要有電池內(nèi)部加熱法和電池外部加熱法。某純電動(dòng)轎車(chē)熱管理系統(tǒng)高溫冷卻方式采用空氣冷卻，布置在整車(chē)后座椅下方的后座椅電池組前端設(shè)計(jì)通風(fēng)口且與乘員艙相通，前后電池組中間安裝兩個(gè)金屬風(fēng)管，利用后備廂尾部抽風(fēng)機(jī)總成抽取乘員艙內(nèi)的空調(diào)風(fēng)對(duì)電池組進(jìn)行冷卻。在環(huán)境溫度過(guò)低情況下，前電池組內(nèi)部設(shè)置有加熱器，利用加熱器上部設(shè)置的風(fēng)扇以及后備廂風(fēng)機(jī)對(duì)加熱器進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流來(lái)達(dá)到加熱的目的。

2.2電池系統(tǒng)模型建立

某電動(dòng)車(chē)電池組利用 Icepak 軟件進(jìn)行自建模及復(fù)雜模型導(dǎo)入兩種方式建立電池組模型，其中主要部件包括電池組外殼、電池單體、電池模組、加熱器、軸流風(fēng)扇、離心風(fēng)機(jī)等。為了保證分析結(jié)果精度，需要考慮模組內(nèi)單體電池之間的間隙，建立模型如圖1和圖2所示。

2.3CFD流體數(shù)學(xué)模型

流體傳熱過(guò)程中都受物理守恒定律制約，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律等。

連續(xù)性方程：

2.4邊界條件的設(shè)定

電池組熱管理仿真分析工況主要包括高溫冷卻及低溫加熱的仿真模擬。動(dòng)力電池組采用 1C 放電倍率※，外殼材料為SPCC；電池單體功率為0.08 W，材料為不銹鋼；電池組內(nèi)部模組固定板的材料為 ABS 板；加熱器材料為鋁，功率為800 W，根據(jù)所選的風(fēng)扇類(lèi)型輸入相應(yīng) P-Q 曲線(xiàn)。

電池組高溫冷卻環(huán)境溫度為 40 °C，前電池組進(jìn)風(fēng)口位置溫度為 19 °C，采用 1C 放電。低溫加熱環(huán)境溫度為-10 °C，利用前電池組的加熱器對(duì)電池組進(jìn)行加熱，利用外接電源通過(guò) DC/DC 啟動(dòng)加熱器工作，在此過(guò)程電池組處于不放電狀態(tài)。

2.5網(wǎng)格劃分

根據(jù)建立的動(dòng)力電池組幾何模型，使用六面體網(wǎng)格、多級(jí)網(wǎng)格、局部加密網(wǎng)格，劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格，劃分的網(wǎng)格如圖 3 和圖 4 所示。

3仿真結(jié)果分析

3.1電池組高溫冷卻穩(wěn)態(tài)分析

利用電池組穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)電池組的溫度分布趨勢(shì)，對(duì)電池組成組設(shè)計(jì)及改進(jìn)起到重要作用。

由圖 5 中的電池組內(nèi)部跡線(xiàn)分布可以看出，前電池組中間位置出現(xiàn)流體區(qū)域分布不均，后電池右側(cè)區(qū)域出現(xiàn)流體分布不均。

從圖 6、圖 7 所示電池組高溫冷卻溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，跡線(xiàn)分析是合理的，電池組在流體區(qū)域不均勻區(qū)域的溫度較其它區(qū)域高。

3.2 電池組高溫冷卻瞬態(tài)分析

電池組穩(wěn)態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)電池組溫度分布趨勢(shì)。電動(dòng)車(chē)電池組容量有限，故對(duì)電池組進(jìn)行瞬態(tài)分析與實(shí)際情況接近并能夠利用試驗(yàn)驗(yàn)證仿真分析的合理性。電池組高溫冷卻瞬態(tài)分析結(jié)果如圖 9 和圖10所示。通過(guò)對(duì)電池組進(jìn)行瞬態(tài)分析，電池組在 1C 放電 1 h 最大溫差為 7.1 °C，最高溫度為37.2 °C，滿(mǎn)足熱管理高溫冷卻要求。

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3.3電池組低溫加熱穩(wěn)態(tài)分析

在環(huán)境溫度較低情況下對(duì)電池進(jìn)行充電不僅給電池帶來(lái)?yè)p害而且還會(huì)帶來(lái)安全隱患，因而在對(duì)電池進(jìn)行充電之前需要將電池組的最低溫度加熱到合理工作溫度區(qū)域。從圖 11 ～ 14 分析結(jié)果可知，電池組在利用加熱器對(duì)電池組進(jìn)行加熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)最高溫度為14 °C，最大溫差為9.7 °C，由于后電池組左右不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致局部溫度較高。

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3.4 電池組低溫加熱瞬態(tài)分析結(jié)果

利用加熱器對(duì)電池組進(jìn)行加熱，瞬態(tài)分析結(jié)果如圖 15 和圖 16 所示。

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通過(guò)對(duì)電池組進(jìn)行瞬態(tài)分析，電池組在 1C 放電 1 h 最大溫差為12.2 °C，且最高溫度為6.3 °C，滿(mǎn)足熱管理低溫加熱要求。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

將整車(chē)放置于環(huán)境倉(cāng)內(nèi)，并將環(huán)境溫度設(shè)置為電池組仿真時(shí)極限溫度。

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高溫冷卻時(shí)保持 1C 放電，并開(kāi)啟空調(diào)；低溫加熱時(shí)將整車(chē)連上電源。通過(guò)對(duì)整車(chē)電池組內(nèi)部溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)控得到熱管理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1 ～ 4。

通過(guò)對(duì)表 1 和表 2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出，環(huán)境溫度為40 °C，1C放電電池組最高溫度為34 °C，溫差為3 °C，與仿真數(shù)據(jù)最高相差1.7 °C，差距較小。通過(guò)對(duì)表 3 和表 4 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出，環(huán)境溫度為-10 °C，整車(chē)電池組處于不放電狀態(tài)，加熱 1 h，電池組最高溫度為 5 °C，溫差為 8 °C。

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