一種重度混合動力轎車動力電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計

夏順禮，宋軍，趙久志，張寶鑫，陽斌（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心 新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

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一種重度混合動力轎車動力電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計

夏順禮，宋軍，趙久志，張寶鑫，陽斌
（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心 新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對重度混合動力轎車在各種環(huán)境下行駛的動力性有至關(guān)重要的影響。本文提出了一種重度混合動力轎車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計方案，利用一維熱流體系統(tǒng)仿真、三維計算流體動力學(xué)數(shù)值計算建立整個電池包模型，通過數(shù)值分析獲取電池包內(nèi)速度、壓力、風(fēng)量及溫度等關(guān)鍵參數(shù)分布，對比了底部進風(fēng)與側(cè)部進風(fēng)兩組方案的冷卻效果，優(yōu)化了冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案，并進行了試驗測試驗證分析。結(jié)果表明，該冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案能夠滿足該重度混合動力轎車的行駛要求，能夠有效保證動力電池工作處在最優(yōu)溫度范圍內(nèi)，同時動力電池的溫差控制在最佳范圍內(nèi)。

重度混合動力；電池包；冷卻；數(shù)值模擬

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.007

CLC NO.: U469.7Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)08-18-05

前言

動力電池作為新能源電動汽車的動力來源，在提高整車性能和降低成本方面起到至關(guān)重要的作用，其溫度特性直接影響到純電動汽車的性能、壽命和耐久性[1-4]。目前在電池容量受到限制情況下，電池成組技術(shù)水平對電池系統(tǒng)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，而電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為電池成組技術(shù)的重要核心技術(shù)之一，對提高電池一致性以及保證整車安全性有至關(guān)重要的作用。在夏季，混合動力汽車運行過程中，對電池的充放電會伴隨著大量熱量的產(chǎn)生，如不及時進行散熱，電池包內(nèi)部溫度會急劇上升，若風(fēng)道設(shè)計不合理會進一步導(dǎo)致溫差不斷加大，加劇電池內(nèi)阻與容量的不一致性，甚至導(dǎo)致熱失控，存在很大安全隱患。

設(shè)計性能良好的電池組熱管理系統(tǒng)，要采用系統(tǒng)化的設(shè)計方法。很多研究文獻都介紹了各自設(shè)計的熱管理方法，因此，在儲能系統(tǒng)電池組應(yīng)用中，還需要對電池組進行熱管理系統(tǒng)設(shè)計[5]。

但真實的熱管理系統(tǒng)是極其復(fù)雜的，物理實驗不僅受到模型大小、流場擾動、測試人員安全和準(zhǔn)確度的限制，而且成本高、周期長。CFD仿真可預(yù)先研究、條件限制少、信息豐富、成本低、周期短[6]。

本文提出一種重度混合動力轎車?yán)鋮s系統(tǒng)方案，利用抽取乘員艙內(nèi)空調(diào)風(fēng)對電池包進行主動散熱。利用CFD仿真對所設(shè)計兩種方案進行數(shù)值模擬，最終確定較優(yōu)方案，通過試驗驗證進一步說明 CFD技術(shù)應(yīng)用于新能源電動車電池包熱管理方案設(shè)計是可行的。

1、電池包冷卻系統(tǒng)設(shè)計

某重度混合動力轎車電池包內(nèi)部設(shè)計有4個模組，每個模組分別由17個6Ah電池單體串聯(lián)而成，模組通過螺栓固定在電池包下殼體，模組內(nèi)部設(shè)計有隔板。整車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計成強制風(fēng)冷，內(nèi)部冷卻通道設(shè)計成并聯(lián)式。

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[7-10]。

風(fēng)機將乘員倉內(nèi)空調(diào)風(fēng)抽取到電池包內(nèi)部，冷卻系統(tǒng)示意圖如下圖2所示，電池包模組內(nèi)部設(shè)計有隔板，通過進入隔板內(nèi)部空氣與電池單體熱量交換，實現(xiàn)對電池單體的冷卻及加熱，電池包內(nèi)部空氣流動如下圖3所示。

根據(jù)整車需求，提出電池包熱管理系統(tǒng)性能目標(biāo)，如下表一所示。

表1　熱管理系統(tǒng)性能目標(biāo)

結(jié)合電池包在整車布置方案的不同，提出兩種進風(fēng)思路，第一種在電池包下殼體處設(shè)計風(fēng)道即底部進風(fēng)方式，該方案底部空間較大，風(fēng)道管路設(shè)計靈活，裝配簡單方便，但垂直方向占用空間大；第二種在電池包兩側(cè)進風(fēng)，該方案結(jié)構(gòu)緊湊，但空間受限，拆卸與裝配可能存在困難。利用CFD數(shù)值模擬方法，分析兩種方案在熱管理性能方面不同，從而得到最優(yōu)方案。

2、CFD流體數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程：

式中：ρ為流體密度；uj為流體速度沿i方向的分量；t為時間。

動量方程：

式中：P為靜壓力；τij為應(yīng)力矢量；ρgi為i方向的重力分量；Fi為由于阻力和能源而引起的其他能源項。

能量方程：

式中：h為熵；k為分子傳導(dǎo)率；kt為由于湍流傳遞而引起的傳導(dǎo)率；Sh為定義的體積源。

3、邊界條件設(shè)定

電池包內(nèi)部設(shè)計有4個模組，每個模組分別由17個6Ah電池單體串聯(lián)而成，放電倍率為 4C，單體電池發(fā)熱功率為3.52W，電池包外殼材料為SPCC（冷軋?zhí)妓乇′摪澹?，模組之間設(shè)計塑料風(fēng)道隔板，隔板材料為PC（非晶體工程材料），風(fēng)道材料為PC，根據(jù)所選風(fēng)扇輸入其P-Q曲線。

高溫冷卻工況，即環(huán)境溫度為 40 ℃，入口初始溫度為25℃，入口為壓力邊界，出口條件為體積流量。

表2　電池包具體參數(shù)

4、兩種冷卻方案仿真結(jié)果分析

三維仿真軟件主要用來計算穩(wěn)態(tài)工況下模組壓降、速度及風(fēng)量分配，利用仿真分析結(jié)果指導(dǎo)模組設(shè)計；利用一維軟件計算電池包壓降、速度及風(fēng)量，仿真工況與實際工況更加接近，更具指導(dǎo)意義。

利用 Star-ccm+軟件進行三維自建模及復(fù)雜模型導(dǎo)入兩種方式建立冷卻系統(tǒng)模型，部件主要為風(fēng)道及電池單體，根據(jù)建立的集合模型，使用六面體網(wǎng)格，劃出高質(zhì)量的網(wǎng)格。

圖4電池包采用側(cè)部進風(fēng)方式，布置緊湊，但空間受限導(dǎo)致風(fēng)道管路設(shè)計存在由于局部突變，壓降增大；圖5采用底部進風(fēng)方式，垂直空間占用空間較大，但橫向尺寸更為靈活，可以有效降低壓降。

4.1電池包側(cè)部進風(fēng)仿真分析

4.1.1電池模組出風(fēng)口面積為800mm2

通過仿真分析，得出模組出風(fēng)口面積為 800mm2，電池模組進出口位置如圖6所示、壓降分布如圖7所示，壓降為56.4Pa。

4.1.2電池模組出風(fēng)口面積為1000mm2

通過仿真分析，得出模組出風(fēng)口面積為1000mm2，電池包內(nèi)部速度分布如圖8、壓降分布如圖9所示，壓降為57Pa。

4.1.3方案對比

最初方案即電池模組出風(fēng)口面積為 1000mm2改進后方案即電池模組出風(fēng)口面積為1000mm2，通過以上分析，得出模組內(nèi)部壓降基本相同；從圖10與圖11可以看出，模組內(nèi)部風(fēng)量及風(fēng)量偏移量存在較大變化，去除風(fēng)道1與風(fēng)道17后，改進后方案明顯優(yōu)于最初方案，故側(cè)部進風(fēng)選用電池模組出風(fēng)口面積為1000mm2；模組兩端即風(fēng)道1與風(fēng)道17風(fēng)量明顯偏小，方案需求進一步優(yōu)化。

4.2電池包底部進風(fēng)仿真分析

利用仿真分析軟件，建立冷卻系統(tǒng)模型，完成底部進風(fēng)方案，跡線如圖12所示；壓降為234.5Pa，如圖13所示；模組間風(fēng)量整體較為平均，相比較側(cè)部進風(fēng)有明顯改善；如圖14所示；同一截面溫差控制在5℃以內(nèi)，如圖15所示，因此熱管理冷卻系統(tǒng)采用底部進風(fēng)方式。

5、電池包一維仿真分析

利用Flowmaster軟件，采用整車滿載工況，由于整車實際工作過程中，電池包發(fā)熱量不是恒定的，瞬態(tài)工況如圖16所示，利用放電電流與時間對應(yīng)關(guān)系，得出電池單體實際工況發(fā)熱量；輸入風(fēng)扇P-Q曲線及其控制策略，風(fēng)扇在不同工況下對應(yīng)占空比亦不相同，如圖17；建立電池包一維仿真分析模型如圖18；得出高溫條件下電池冷卻仿真分析結(jié)果如圖19所示，仿真結(jié)果表明電池包模組間溫差控制在1℃以內(nèi)，最高溫度≤45℃。

表3　40℃ 電池模組溫差

6、高溫冷卻試驗

電池包工況為整車滿載工況，環(huán)境溫度為 40 ℃，入口初始溫度為 25℃，輸入風(fēng)機P-Q曲線及控制策略。

通過高溫冷卻試驗，電池包溫度變化趨勢基本上與一維仿真分析結(jié)果相同，溫差為 3℃，電池最高溫度＜45℃，滿足設(shè)計要求。

7、結(jié)論

（1）利用一維仿真分析軟件能夠?qū)⒖刂撇呗匀谌肫渲?，更加接近真實工況。

（2）利用三維仿真分析軟件與一維仿真分析軟件有效結(jié)合進行熱管理仿真分析，能夠反映電池包溫度分布趨勢，說明將 CFD技術(shù)應(yīng)用于新能源電動車電池包熱管理方案設(shè)計是可行的。

（3）某重度混合動力轎車可有效在高溫環(huán)境下對電池包進行冷卻，避免熱失控現(xiàn)象的出現(xiàn)。

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A Hybrid CarBattery ThermalManagement of Cooling System Design

Xia Shunli,Song Jun,Zhao Jiuzhi,Zhang Baoxin,Yang Bin
(New energy vehicle academy,Technical Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd,HefeiAnhui 230601)

Influence of power battery thermal management system is crucial for the power of new energy vehicles in various environmental conditions.This paper describes the cooling system design of hybrid vehicles,CFD simulation software is used to build the entire battery pack simulation model.Using CFD simulation software establish the battery pack simulation model ,Through this method,the key parameters such as the pressure of the battery pack and the air quantity distribution are obtained,guiding the cooling system design.Two simulation results indicate bottom inlet cooling effect of the thermal management scheme is better than the side,and the cooling system can ensure the stability of the battery under high temperature operating environment,to prevent thermal runaway phenomenon.

hybrid; battery; cooling; numerical simulation

U469.7

A

1671-7988（2016）08-18-05

夏順禮（1972-），男，副高級工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心 新能源汽車研究院。