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

熱設(shè)計(jì) 2021-01-27

前言

汽車的發(fā)展不僅推動了現(xiàn)代社會的進(jìn)步，而且促進(jìn)了地區(qū)之間的交流，但同時也帶來了環(huán)境污染及能源消耗問題。以電動汽車為代表的新能源汽車將是解決汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題的重要途徑之一。動力電池作為電動汽車的關(guān)鍵零部件，直接影響著電動汽車產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。因此，針對動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，在儲能系統(tǒng)電池組應(yīng)用中，還需要對電池進(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)理論的手動計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，已經(jīng)無法滿足對產(chǎn)品研發(fā)的需求，因此需要借助成熟的 CFD 技術(shù)來完善對電池組熱特性的準(zhǔn)確評估與分析，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別的散熱問題，同時具備快速幾何建模、豐富網(wǎng)格類型、網(wǎng)格質(zhì)量評價工具、求解精度高且穩(wěn)定等技術(shù)性能指標(biāo)。

1電動汽車熱管理必要性

電動汽車電池組溫度不均會導(dǎo)致鋰電池容量分布不均，縮短整體電池組使用壽命，降低整車性能。通過設(shè)計(jì)高效的熱管理系統(tǒng)不僅能夠使電動車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。當(dāng)電池組的工作溫度超過合適溫度需要對電池進(jìn)行散熱，保證電池組溫度場分布均勻；當(dāng)環(huán)境溫度過低時需要對電池組進(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。某純電動轎車熱管理系統(tǒng)高溫冷卻方式采用空氣冷卻，布置在整車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)對電池組進(jìn)行冷卻。在環(huán)境溫度過低情況下，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)對加熱器進(jìn)行強(qiáng)迫對流來達(dá)到加熱的目的。

2.2電池系統(tǒng)模型建立

某電動車電池組利用 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。

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)扇類型輸入相應(yīng) P-Q 曲線。

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電池組進(jìn)行加熱，利用外接電源通過 DC/DC 啟動加熱器工作，在此過程電池組處于不放電狀態(tài)。

2.5網(wǎng)格劃分

根據(jù)建立的動力電池組幾何模型，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，對電池組成組設(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。電動車電池組容量有限，故對電池組進(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。通過對電池組進(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電池進(jìn)行充電不僅給電池帶來損害而且還會帶來安全隱患，因而在對電池進(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電池組進(jìn)行加熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時最高溫度為14 °C，最大溫差為9.7 °C，由于后電池組左右不對稱導(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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通過對電池組進(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，滿足熱管理低溫加熱要求。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

將整車放置于環(huán)境倉內(nèi)，并將環(huán)境溫度設(shè)置為電池組仿真時極限溫度。

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高溫冷卻時保持 1C 放電，并開啟空調(diào)；低溫加熱時將整車連上電源。通過對整車電池組內(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)，見表1 ～ 4。

通過對表 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。通過對表 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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