高速行駛時(shí)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱分析

徐曉明 何 仁

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

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)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(chǎng)分布,進(jìn)而影響電池的正常工作.近年來(lái),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(dòng)汽車(chē)動(dòng)力艙熱流場(chǎng)特性成為可能.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力艙熱流場(chǎng)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(dòng)汽車(chē)動(dòng)力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱分析可以借鑒傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱的研究方法.Anders[7]針對(duì)SUV XC90設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的熱管理問(wèn)題,使用 FLUENT軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真研究;袁俠義等[8]通過(guò)添加擋板改變氣流通道,有效地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的散熱情況;Kim等[9]利用Flowmaster軟件對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)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(duì)高速行駛時(shí)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能進(jìn)行研究,以便為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)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(chē)模型和風(fēng)洞模型

圖1為實(shí)車(chē)模型,艙內(nèi)氣流通過(guò)動(dòng)力艙上部流出,即動(dòng)力艙選擇上出風(fēng)口模式.選用的截面形狀為非對(duì)稱(chēng)切角矩形的風(fēng)洞模型[10],如圖2所示.電池組共有144個(gè)55 A·h電池單體(6個(gè)2并12串的電池標(biāo)準(zhǔn)模塊).電池組橫向擺放,與動(dòng)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(chē)模型(單位：mm)

圖2 截面形狀為非對(duì)稱(chēng)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(shí)(400 km/h),可忽略流體速度對(duì)密度的影響,此時(shí)可將流體看作不可壓縮流體.通常狀態(tài)下,轎車(chē)的最高速度遠(yuǎn)小于400 km/h,因此車(chē)身表面的流動(dòng)可認(rèn)為是不可壓縮流動(dòng),考慮到汽車(chē)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

(1)

動(dòng)量守恒方程

(2)

能量守恒方程

(3)

式中,V為速度矢量;p為壓力;ρ為空氣密度;μ為空氣動(dòng)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(wú)滑移邊界條件,速度為零.

根據(jù)生態(tài)足跡法計(jì)算要求，結(jié)合實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，本文將消費(fèi)項(xiàng)目劃分為生物資源消費(fèi)和能源消費(fèi)兩大類(lèi)，其中主要生物資源消費(fèi)項(xiàng)目包括農(nóng)產(chǎn)品(主要為糧食、蔬菜和油料)、動(dòng)物產(chǎn)品(主要為豬肉、牛羊肉、鮮蛋、牛奶)、林產(chǎn)品(主要為水果)和水產(chǎn)品(主要為魚(yú)類(lèi))；主要能源資源項(xiàng)目包括煤、石油制品(主要為汽油、柴油和天然氣)和電力。

3 鋰離子電池單體充放電發(fā)熱功率測(cè)定

圖3為55 A·h電池單體測(cè)溫點(diǎn)布置和絕熱設(shè)計(jì),底部布置2個(gè)測(cè)溫點(diǎn),側(cè)壁布置3個(gè)測(cè)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(cè)溫點(diǎn)布置和絕熱設(shè)計(jì)

發(fā)熱量計(jì)算公式如下:

Q=cpmΔT

(4)

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:

(5)

式中,P為發(fā)熱功率;t為時(shí)間.

試驗(yàn)過(guò)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(shí)電流大小的倍率.

由表1可見(jiàn),27 ℃環(huán)境溫度下1.0C充放電倍率時(shí),55 A·h電池單體充電過(guò)程平均發(fā)熱功率為4.36 W,放電過(guò)程平均發(fā)熱功率為6.35 W,充放電過(guò)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(cè)得電池單體充放電過(guò)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(guò)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(guò)程平均溫升和發(fā)熱功率

4 散熱性能分析

4.1 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能分析

圖4為27 ℃環(huán)境溫度下1.0C充放電倍率時(shí),Y=0 m截面溫度場(chǎng)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(chē)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(wèn)題是如何將電池組上部偏后部位的熱量帶走.

圖4 車(chē)速為110 km/h時(shí)Y=0 m截面的溫度場(chǎng)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(shí),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(chē)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(shí)的曲線比較接近,這表明較高的環(huán)境溫度下,電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能比較接近.車(chē)速為110 km/h時(shí),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(shí)降低了28.5%和13.0%,內(nèi)部最大溫差降低了24.9%和11.2%;車(chē)速為140 km/h時(shí),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(shí)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(chē)速變化比較

4.3 不同充放電倍率時(shí)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(shí),電池組最高溫升和內(nèi)部最大溫差隨車(chē)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(shí)的曲線比較接近,說(shuō)明較低的充放電倍率時(shí),電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)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(shí),應(yīng)當(dāng)考慮加強(qiáng)冷卻風(fēng)散熱能力.車(chē)速為110 km/h時(shí),0.8C充放電倍率時(shí)的電池組最高溫升分別比1.0C和1.2C充放電倍率時(shí)降低了18.8%和41.1%,內(nèi)部最大溫差降低了15.2%和35.7%;車(chē)速為140 km/h時(shí),0.8C充放電倍率時(shí)的電池組最高溫升分別比1.0C和1.2C充放電倍率時(shí)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(shí)電池組最高溫升和內(nèi)部最大溫差隨車(chē)速變化比較

4.4 電池組不同位置對(duì)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(dòng)力艙后壁最小距離為170 mm,最大距離為250 mm.通過(guò)對(duì)電池組不同位置的電動(dòng)汽車(chē)熱流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,確定滿(mǎn)足最優(yōu)動(dòng)力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能的電池組與動(dòng)力艙后壁距離.

圖7 電池組不同位置示意圖

由圖8可見(jiàn),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(chē)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(dòng)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(chē)速為110 km/h時(shí),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(chē)速為140 km/h時(shí),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(jiàn)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(dòng)汽車(chē)散熱性能.

圖8 電池組不同位置時(shí)最高溫升和內(nèi)部最大溫差隨車(chē)速變化比較

5 結(jié)論

1) 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力艙自然進(jìn)風(fēng)散熱性能隨著車(chē)速提高而改善,電池組最高溫升隨車(chē)速提高而降低的幅度比內(nèi)部最大溫差隨車(chē)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(dòng)汽車(chē)動(dòng)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(dòng)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(jiàn),合理布置電池組位置可以改善電動(dòng)汽車(chē)散熱性能.

上述結(jié)論為高速行駛時(shí)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)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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