高速行駛時電動汽車動力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱分析

徐曉明 何 仁

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013)

電動汽車動力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能優(yōu)劣直接影響到艙內(nèi)電池組溫度場分布，進(jìn)而影響電池的正常工作.近年來，隨著數(shù)值計(jì)算方法的改進(jìn)和計(jì)算機(jī)性能的提高，CFD(computational fluid dynamics)技術(shù)得到了飛速發(fā)展［1-3］，采用數(shù)值模擬方法研究電動汽車動力艙熱流場特性成為可能.電動汽車動力艙熱流場特性研究從最初的以試驗(yàn)分析為主，發(fā)展到目前以仿真計(jì)算為主，輔以試驗(yàn)驗(yàn)證［4-6］.

電動汽車動力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱分析可以借鑒傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)艙散熱的研究方法.Anders［7］針對SUV XC90 設(shè)計(jì)過程中遇到的熱管理問題，使用FLUENT 軟件對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)外流場進(jìn)行了數(shù)值仿真研究;袁俠義等［8］通過添加擋板改變氣流通道，有效地改善了發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的散熱情況;Kim 等［9］利用Flowmaster 軟件對汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)在不同控制策略下的性能進(jìn)行了研究.

本文對高速行駛時電動汽車動力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能進(jìn)行研究，以便為電動汽車動力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱分析和電池組位置選擇提供參考依據(jù).

1 實(shí)車模型和風(fēng)洞模型

圖1為實(shí)車模型，艙內(nèi)氣流通過動力艙上部流出，即動力艙選擇上出風(fēng)口模式.選用的截面形狀為非對稱切角矩形的風(fēng)洞模型［10］，如圖2所示.電池組共有144 個55 A·h 電池單體(6 個2 并12串的電池標(biāo)準(zhǔn)模塊).電池組橫向擺放，與動力艙后壁距離為200 mm，箱型結(jié)構(gòu)尺寸為600 mm ×450 mm ×450 mm.

圖1 實(shí)車模型(單位:mm)

圖2 截面形狀為非對稱切角矩形的風(fēng)洞模型

2 仿真計(jì)算方法和邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

一般情況下流體在速度小于1/3 聲速時(400 km/h)，可忽略流體速度對密度的影響，此時可將流體看作不可壓縮流體.通常狀態(tài)下，轎車的最高速度遠(yuǎn)小于400 km/h，因此車身表面的流動可認(rèn)為是不可壓縮流動，考慮到汽車復(fù)雜外形引起的分離現(xiàn)象，應(yīng)按湍流處理.其控制方程組如下:

連續(xù)方程

動量守恒方程

能量守恒方程

式中，V 為速度矢量;p 為壓力;ρ 為空氣密度;μ 為空氣動力黏性系數(shù).

2.2 計(jì)算方法

采用三維不可壓縮雷諾平均方程N(yùn)-S 方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型.控制界面的物理量應(yīng)用二階迎風(fēng)差分格式獲得，并運(yùn)用SIMPLEC 壓力修正法進(jìn)行迭代.

2.3 邊界條件

入口為速度進(jìn)口，速度值視具體算例給定，湍流度設(shè)為0.1%;出口為壓力出口，大小為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;壁面采用無滑移邊界條件，速度為零.

3 鋰離子電池單體充放電發(fā)熱功率測定

圖3為55 A·h 電池單體測溫點(diǎn)布置和絕熱設(shè)計(jì)，底部布置2 個測溫點(diǎn)，側(cè)壁布置3 個測溫點(diǎn)，保溫箱用3 層絕熱材料包裹，以保證具有較好的絕熱性能.

圖3 55 A·h 電池單體測溫點(diǎn)布置和絕熱設(shè)計(jì)

發(fā)熱量計(jì)算公式如下:

式中，Q 為發(fā)熱量;cp為比熱容;m 為質(zhì)量;ΔT 為溫升.

由式(4)可推導(dǎo)出發(fā)熱功率計(jì)算公式:

式中，P 為發(fā)熱功率;t 為時間.

試驗(yàn)過程如下:將恒溫箱調(diào)到合適的溫度，以不同的倍率充電至3.65 V，轉(zhuǎn)恒壓充電至0.05C截止;再以該倍率放電至2.50 V 截止.這里，C 表示電池充放電時電流大小的倍率.

由表1可見，27 ℃環(huán)境溫度下1.0C 充放電倍率時，55 A·h 電池單體充電過程平均發(fā)熱功率為4.36 W，放電過程平均發(fā)熱功率為6.35 W，充放電過程平均發(fā)熱功率為5.36 W .由于保溫箱不能做到完全絕熱，故測得電池單體充放電過程的平均溫升要低于電池單體實(shí)際絕熱溫升，計(jì)算的發(fā)熱功率也略低于實(shí)際發(fā)熱功率.電池單體充放電過程的發(fā)熱功率作為仿真計(jì)算熱源設(shè)置的參考依據(jù).

表1 電池單體充放電過程平均溫升和發(fā)熱功率

4 散熱性能分析

4.1 電動汽車動力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能分析

評估電池組冷卻系統(tǒng)散熱性能的指標(biāo)主要有2 個:電池組最高溫升和內(nèi)部最大溫差.電池組最高溫升定義為電池組溫度和環(huán)境溫度之差的最大值，內(nèi)部最大溫差定義為電池組內(nèi)部溫差的最大值.電池組最高溫升過大，表明電池工作時環(huán)境溫度較高，電池產(chǎn)生的熱量不能有效地通過冷卻系統(tǒng)帶出;內(nèi)部最大溫差過大，則表明電池組內(nèi)部溫度場分布均勻性較差，因此電池組冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以降低電池組最高溫升和內(nèi)部最大溫差為目的.

圖4為27 ℃環(huán)境溫度下1.0C 充放電倍率時，Y=0 m 截面溫度場分布，溫度較高區(qū)域在電池組中上部.受向上走的氣流影響，電池組上部偏后部位溫度明顯高于其他部位，而電池底部與車架接觸，有利于熱量傳遞，故電池組底部溫度較低.因此，自然進(jìn)風(fēng)散熱主要考慮的問題是如何將電池組上部偏后部位的熱量帶走.

圖4 車速為110 km/h 時Y=0 m 截面的溫度場分布

4.2 不同環(huán)境溫度下散熱性能分析

從圖5可看出，在1.0C 充放電倍率時，不同環(huán)境溫度下，電池組最高溫升和內(nèi)部最大溫差隨車速提高基本呈線性關(guān)系變化，且保持平行，其中27℃和40 ℃環(huán)境溫度時的曲線比較接近，這表明較高的環(huán)境溫度下，電動汽車動力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能比較接近.車速為110 km/h 時，40 ℃環(huán)境溫度下的電池組最高溫升分別比20 ℃和27 ℃環(huán)境溫度時降低了28.5%和13.0%，內(nèi)部最大溫差降低了24.9%和11.2%;車速為140 km/h 時，40 ℃環(huán)境溫度下的電池組最高溫升分別比20 ℃和27 ℃環(huán)境溫度時降低了28.5%和13.0%，內(nèi)部最大溫差降低了24.7%和10.7%.

圖5 不同環(huán)境溫度下電池組最高溫升和內(nèi)部最大溫差隨車速變化比較

4.3 不同充放電倍率時散熱性能分析

從圖6可看出，在27 ℃環(huán)境溫度下，不同充放電倍率時，電池組最高溫升和內(nèi)部最大溫差隨車速提高也基本成線性關(guān)系變化，其中0.8C 和1.0C充放電倍率時的曲線比較接近，說明較低的充放電倍率時，電動汽車動力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能比較接近，當(dāng)高充放電倍率時，應(yīng)當(dāng)考慮加強(qiáng)冷卻風(fēng)散熱能力.車速為110 km/h 時，0.8C 充放電倍率時的電池組最高溫升分別比1.0C 和1.2C 充放電倍率時降低了18.8%和41.1%，內(nèi)部最大溫差降低了15.2%和35.7%;車速為140 km/h 時，0.8C 充放電倍率時的電池組最高溫升分別比1.0C 和1.2C充放電倍率時降低了19.0%和41.1%，內(nèi)部最大溫差降低了15.1%和35.7%.

圖6 不同充放電倍率時電池組最高溫升和內(nèi)部最大溫差隨車速變化比較

4.4 電池組不同位置對散熱性能的影響

圖7為電池組不同位置示意圖，其中，電池組距離動力艙后壁最小距離為170 mm，最大距離為250 mm.通過對電池組不同位置的電動汽車熱流場進(jìn)行仿真分析，確定滿足最優(yōu)動力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能的電池組與動力艙后壁距離.

圖7 電池組不同位置示意圖

由圖8可見，4 種不同位置的電池組最高溫升與電池組內(nèi)部最大溫差隨車速提高均基本呈線性變化.自然進(jìn)風(fēng)散熱性能隨電池組與動力艙后壁距離增加而變化的規(guī)律為:從170 mm 增加到230 mm，自然進(jìn)風(fēng)散熱性能改善;從230 mm 增加到250 mm，自然進(jìn)風(fēng)散熱性能下降.其中，車速為110 km/h 時，距離為230 mm 的電池組最高溫升分別比170，200 和250 mm 降低了6.8%，5.8% 和1.1%，內(nèi)部最大溫差降低了7.8%，5.9%和1.3%;車速為140 km/h 時，距離為230 mm 的電池組最高溫升分別比170，200 和250 mm 降低了5.9%，5.0%和1.1%，內(nèi)部最大溫差降低了7.3%，5.3%和1.3%，可見自然進(jìn)風(fēng)散熱條件下，合理布置電池組位置也可改善電動汽車散熱性能.

圖8 電池組不同位置時最高溫升和內(nèi)部最大溫差隨車速變化比較

5 結(jié)論

1)電動汽車動力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能隨著車速提高而改善，電池組最高溫升隨車速提高而降低的幅度比內(nèi)部最大溫差隨車速提高而降低的幅度大，表明高速氣流更有利于電池組內(nèi)部溫度降低，從而使得電池組最高溫升下降.

2)電動汽車動力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能隨著環(huán)境溫度升高和充放電倍率降低而提高，這是因?yàn)檫@2 種工況可有效降低電池發(fā)熱功率.

3)自然進(jìn)風(fēng)散熱性能隨電池組與動力艙后壁距離增加而變化的規(guī)律為:從170 mm 增加到230 mm，自然進(jìn)風(fēng)散熱性能改善;從230 mm 增加到250 mm，自然進(jìn)風(fēng)散熱性能下降.可見，合理布置電池組位置可以改善電動汽車散熱性能.

上述結(jié)論為高速行駛時電動汽車動力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱分析和電池組位置選擇提供了參考依據(jù).

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