動力電池作為電動汽車的核心零部件之一,直接影響著電動汽車產(chǎn)業(yè)化的進程?由于汽車實際行駛中加速?勻速?減速工況頻繁變換,加之低溫?高熱的外部環(huán)境等,依靠傳統(tǒng)的理論計算或經(jīng)驗分析,不能滿足純電動汽車熱管理需求,而需要借助較成熟的CFD技術(shù)來對動力電池熱管理進行較準確的評估與分析,合理優(yōu)化電池包內(nèi)部熱環(huán)境,提高其安全性?可靠性?

1熱管理系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

動力電池在充放電過程中,尤其在大電流充放電時,電池本身會產(chǎn)生溫升,進而影響電池安全性能?另外,電池包內(nèi)不同單體電池溫度不均會導致電池容量分布不均,縮短整體電池包使用壽命?這些問題都需要通過設計高效的熱管理系統(tǒng)來解決,而且能在一定程度上降低整車能耗?

1.1熱管理系統(tǒng)架構(gòu)

某純電動汽車熱管理系統(tǒng)采用雙蒸發(fā)器系統(tǒng),其架構(gòu)如圖1所示,即利用純電動汽車電動壓縮機產(chǎn)生的制冷量通過在動力電池包內(nèi)部增加的副蒸發(fā)器給電池包冷卻,達到乘員艙?電池包同時冷卻的目的?

雙蒸發(fā)器熱管理系統(tǒng)通過冷媒管路將用于冷卻乘員艙的主蒸發(fā)器和用于冷卻電池包的副蒸發(fā)器從壓力傳感器后分成兩條并聯(lián)支路,每一條支路中都接有電子膨脹閥和蒸發(fā)器,可實現(xiàn)兩條支路獨立控制?為防止主?副蒸發(fā)器與壓縮機之間存在差距過大的壓力,需在主?副蒸發(fā)器與壓縮機之間連接壓力平衡裝置?

動力電池包內(nèi)設置的副蒸發(fā)器通過布置在其表面的小型風扇吹拂周圍空氣達到制冷的目的,其布置示意圖如圖2所示?

1.2熱管理系統(tǒng)工作原理

雙蒸發(fā)器熱管理系統(tǒng)工作原理如下:

1) 開啟空調(diào)?空調(diào)控制器首先根據(jù)用戶命令開啟圖1中的電子膨脹閥1以開啟主蒸發(fā)器,此時空調(diào)壓縮機開啟,空調(diào)制冷啟動?同時,空調(diào)控制器還接收電池熱管理系統(tǒng)發(fā)出的電池降溫需求指令?根據(jù)該指令,空調(diào)控制器開啟圖1中的電子膨脹閥2以開啟副蒸發(fā)器,實現(xiàn)電池降?

2) 關(guān)閉空調(diào)?空調(diào)控制器根據(jù)用戶命令關(guān)閉圖1中的電子膨脹閥1,此時如果電池熱管理制冷需求仍存在,則只關(guān)閉主蒸發(fā)器功能?同理,如果電池熱管理制冷需求指令消失,但是用戶制冷需求存在,則只關(guān)閉副蒸發(fā)器功能?只有在圖1中的電子膨脹閥1和2均接收到斷開指令時,空調(diào)壓縮機才停止工作?

2電池熱管理系統(tǒng)仿真分析及驗證

該純電動汽車熱管理系統(tǒng)高溫冷卻方式采用空氣冷卻冷凝器,通過蒸發(fā)器制冷實現(xiàn)電池冷卻?由于動力電池的低溫加熱功能使用另外一套熱管理系統(tǒng),故本文僅針對純電動汽車動力電池包的高溫冷卻進行研究?

2.1電池系統(tǒng)冷卻仿真模型建立

1) 電池包3D模型?利用Icepak軟件可采用自建模型或?qū)碗s模型導入兩種方式建立該純電動汽車電池的3D模型?其主要部件包括電池包外殼?電池單體?電池模組?離心風機等?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?建立的電池包3D模型如圖3所示?

2) 流體數(shù)學模型?流體傳熱過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?動量守恒定律和能量守恒定律等?

質(zhì)量守恒定律:

動量守恒定律:

能量守恒定律:

3) 網(wǎng)格劃分?根據(jù)建立的動力電池包幾何模型,使用六面體網(wǎng)格?多級網(wǎng)格?局部加密網(wǎng)格,劃分出高質(zhì)量的空間封閉網(wǎng)格,并將處理后的網(wǎng)格模型進行幾何錯誤或間隙的檢查,劃分的網(wǎng)格如圖4所示?

2.2仿真結(jié)果及分析

2.2.1電池包高溫冷卻穩(wěn)態(tài)仿真

利用電池包穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)電池包的溫度分布趨勢,對電池包成組設計及改進起到重要的作用?

從圖5電池包內(nèi)部跡線分布可以看出,電池包流體分布比較均勻?

從圖6電池包高溫冷卻穩(wěn)態(tài)溫度分布可以發(fā)現(xiàn),跡線分析是合理的,電池包在流體分布均勻的區(qū)域溫度也相對均勻?

2.2.2電池包高溫冷卻瞬態(tài)仿真

對電池包進行瞬態(tài)分析與實際情況更接近,并能夠利用試驗驗證仿真分析的準確性(見圖7)?

電池包高溫冷卻環(huán)境溫度為40℃,電池包進風口位置溫度為19℃,采用1C放電?通過對電池包進行瞬態(tài)分析,電池包在1C放電1h最大溫差為7.1℃,最高溫度為37.2℃,滿足熱管理高溫冷卻要求?

2.3動力電池冷卻試驗驗證

將整車放置于環(huán)境艙內(nèi),并將環(huán)境溫度設置為電池包仿真時極限溫度,待環(huán)境艙溫度滿足試驗要求時即可開展熱管理試驗?

某純電動汽車動力電池包本體共布置了5個溫度采集點(T1~T5)?試驗開始前,需安裝好試驗儀器,確認車輛狀態(tài),并啟動汽車進行預熱;關(guān)閉車門?車窗?開啟空調(diào);空調(diào)模式選擇面風模式,空調(diào)溫度設置24℃,風速調(diào)整中間擋;預熱約30min后,汽車進入最高速運行狀態(tài),試驗開始并記錄各測溫點的溫度,數(shù)據(jù)每隔5min測量一次,試驗結(jié)果見表1?

試驗前后,動力電池最高溫度為57℃,試驗時間約為65min,試驗開始后任意30min內(nèi),電池包各單體最大溫升≤22℃,各單體平均溫升≤20℃,各單體平均溫差≤12℃,電池包最高溫度≤60℃,均滿足設計指標?

3結(jié)束語

電池熱模型研究是電池熱管理設計過程中重要組成部分,采用雙蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設計滿足純電動汽車熱管理需求,利用Icepak軟件進行熱管理仿真分析,能夠反映電池包溫度分布趨勢,且分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)差距較小,說明Icepak應用于新能源電動車電池包仿真分析是可行的,對溫度傳感器布置的數(shù)目及位置起到指導作用?

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