基于CFD模擬新能源汽車動力電池溫度場

楊 揚

（晉中職業(yè)技術學院車輛工程學院，山西 晉中 030600）

北上廣一些大型城市由于人口居多，汽車保有量也居全國之首，傳統(tǒng)燃油車的使用使得尾氣排放較為嚴重，造成霧霾天氣頻頻發(fā)生且嚴重程度逐年加重。鑒于以上及其它一些原因，國家政策大力推行新能源汽車的發(fā)展，來改善霧霾狀況等。

新能源汽車與傳統(tǒng)燃油車相比，有著較為明顯的優(yōu)勢［1］：①純電動汽車不再需要發(fā)動機燃燒來驅動車輪行駛，而是通過動力驅動系統(tǒng)，即動力電池供給驅動電機能量來驅動車輪行駛；整個過程相比，新能源汽車沒有燃燒反應，沒有尾氣排放，不會對空氣產生霧霾影響。②新能源汽車與傳統(tǒng)燃油車相比，行駛同樣公里數(shù)所需要的費用為傳統(tǒng)燃油車的1/5倍左右，長期運行經濟性能較為明顯，尤其對于出租車。③新能源汽車較傳統(tǒng)燃油車行駛噪聲更低。以上簡單描述了幾點新能源汽車與傳統(tǒng)燃油車相比突出的優(yōu)勢，相信隨著科技的進步，電動汽車優(yōu)勢將更為明顯。

1 理論知識

新能源汽車主要由車身、底盤、動力驅動系統(tǒng) （驅動電機+動力電池）以及電子電器設備等組成；其中動力電池供給新能源行駛的動力［2］，從而電機驅動車輪向前行駛。動力高壓電池電壓高達300~600V左右，車輛在運行過程中會產生很大的熱量，而電池需要在一定溫度范圍之內才能正常工作，溫度太高或者太低都會影響到電池的性能及壽命，從而影響到整車性能。

2 基于CATIA建立流道模型

動力電池電壓在300~600V左右，本文主要對某自主品牌配備的動力電池進行模擬熱場分布，該品牌動力電池電壓420V，以下主要通過CATIA軟件對一組三元鋰電池內部流道進行模擬分析，分析其內部速度特性以及溫度分布特性。圖1為電池組殼體，紅色線框為通風口，正對面為出口。圖2為流道透視圖，圓柱為電池棒。

圖1 電池組殼體

圖2 電池組流道模型

3 基于ICEM網(wǎng)格劃分

以上電池組基本參數(shù)：電池棒直徑40mm，高度150mm，電池棒數(shù)量共計3排18個，電池棒之間間隔為5mm［3］。在進行電池流道模型網(wǎng)格劃分時，主要采用非結構三邊形、四面體網(wǎng)格；在實際操作過程中，結合模型特點及模擬重點對網(wǎng)格數(shù)量進行了合理劃分，合理的網(wǎng)格數(shù)量不僅加快計算速度，同時也會得到較為合理的模擬效果。圖3~圖5為電池組殼體網(wǎng)格圖。

圖3 電池組殼體網(wǎng)格圖

圖4 電池棒45°角網(wǎng)格圖

圖5 電池棒正面網(wǎng)格圖

4 基于CFD數(shù)值模擬

4.1 邊界條件設定

重力加速度方向設置在Y方向上為-9.81m/s2，即進口和出口位置位于水平方向與地面平行。求解方法選擇壓力瞬態(tài)求解器，選擇湍流K-e標準模型，開啟能量方程［4］；進口設定空氣溫度為25℃，速度為0.5m/s；由于出口條件為監(jiān)察值，故設定為outflow；本文主要模擬自然情況下，電池棒的冷卻效果，故設定電池棒初始溫度為45℃［4］。

4.2 基于FLUENT模擬分析

模擬分析設定進口空氣速度為0.5m/s，進口溫度為25℃，電池棒初始溫度設定為40℃。以下主要模擬不同時間的電池棒溫度，具體模擬結果見圖6~圖12。

圖6 5s電池棒溫度云圖

圖7 15min電池棒溫度云圖

圖8 5s電池棒截面溫度云圖

圖9 60s電池棒截面溫度云圖

圖10 300s電池棒截面溫度云圖

圖11 600s電池棒截面溫度云圖

圖12 900s電池棒截面溫度云圖

圖6和圖7為5s和15min兩個時間段下電池棒整體溫度云圖。從模擬仿真得到的云圖結果可以看出，在15min內電池棒整體溫度降了5℃左右，其中靠近入口和出口區(qū)域的電池棒降溫更為明顯。

圖8~圖12分別為5s、60s、300s、600s、900s時間點截面溫度云圖。可以看出：隨著時間推移，整體電池棒溫度云圖都有降低，溫度從40℃降到35℃左右，靠近進出口位置區(qū)域整體溫度較其它區(qū)域溫度都低，電池殼左右兩側溫度相對較高；整體而言，電池降溫效果比較明顯。

5 結論

本文主要對國內某新能源汽車配備的動力電池組中其中一組電池進行了溫度場模擬。從模擬結果可以看出：15min左右電池內部溫度從40℃降到35℃，降溫幅度為5℃，降溫較為明顯。本文基于數(shù)值模擬的方法，來分析電池內部流道溫度場，在同類產品設計中可起到指導作用，可以通過模擬來設計電池殼體進出口位置及冷卻參數(shù)等。