某PHEV汽車(chē)動(dòng)力電池表面溫度耦合優(yōu)化研究

曹良丹，朱 晴，李啟綿，陳 群，戴鑫鑫，張立營(yíng)，李 英

(中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司研發(fā)總院，吉林 長(zhǎng)春 130013)

0 前言

插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)能給發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)合理分配駕駛員功率需求[1]，保證發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在高效率區(qū)，目前被認(rèn)為是降低油耗和減少尾氣排放的有效解決方案[2]。PHEV整車(chē)性能、可靠性及成本很大程度取決于高壓動(dòng)力電池的性能[3-4]。

PHEV高壓動(dòng)力電池功率密度、能量密度大[5]，頻繁充放電時(shí)產(chǎn)生熱量較大。因其體積較大通常布置于地板下，地板下布置方式使得動(dòng)力電池將長(zhǎng)時(shí)間受高溫排氣系統(tǒng)的熱輻射，若動(dòng)力電池布置位置靠近排氣熱端，還可能受機(jī)艙氣流熱對(duì)流的加熱，故PHEV動(dòng)力電池整車(chē)熱環(huán)境較純電和HEV更苛刻，而合理的工作溫度是保證電池效率和壽命的前提[4]，這給電池?zé)峁芾砉こ處煄?lái)了極大的挑戰(zhàn)。另外，PHEV動(dòng)力電池大多通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)提供動(dòng)力冷卻，降低動(dòng)力電池制冷功率也能一定程度地提高汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性[6]。國(guó)內(nèi)外眾多研究人員開(kāi)展了動(dòng)力電池單體、模組及電池包熱管理策略、方案及材料等研究[7-10]，但對(duì)整車(chē)熱環(huán)境對(duì)動(dòng)力電池溫度影響涉及甚少。

本文針對(duì)某布置于地板下靠近中通道的PHEV汽車(chē)動(dòng)力電池，在不考慮電池工作時(shí)自身生熱及冷卻性能的條件下，研究整車(chē)熱環(huán)境對(duì)動(dòng)力電池表面溫度的影響。通過(guò)STAR-CCM+和TAITherm軟件耦合仿真分析，獲得整車(chē)熱損害試驗(yàn)低速爬坡工況下動(dòng)力電池表面溫度場(chǎng)分布。進(jìn)一步研究了動(dòng)力電池表面溫度對(duì)熱對(duì)流、熱輻射的敏感性，最終提出滿(mǎn)足溫度限值要求的動(dòng)力電池布置方案，為PHEV汽車(chē)動(dòng)力電池安全、高效運(yùn)行及整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性提供保障。

1 計(jì)算模型及工況

1.1 計(jì)算模型

某PHEV汽車(chē)動(dòng)力電池布置位置，如圖1所示。動(dòng)力電池布置于地板下靠近中通道處，動(dòng)力電池-X方向有一地板梁。地板梁與動(dòng)力電池Z向有103 mm高度差，如圖2所示。為保證動(dòng)力電池最佳工作溫度及效率，控制電池冷卻系統(tǒng)制冷功率，提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性，要求控制動(dòng)力電池表面溫度≯60 ℃。

圖1 動(dòng)力電池布置位置圖1-排氣系統(tǒng)隔熱罩;2-前消進(jìn)氣管隔熱罩;3-前消進(jìn)氣管;4-前消音器;5-前消音器隔熱罩;6-后消音器;7-催化器;8-波紋管;9-地板梁;10-動(dòng)力電池;11-電池隔熱罩;12-地板

圖2 動(dòng)力電池與地板梁Z向相對(duì)位置圖1-地板梁;2-動(dòng)力電池;3-動(dòng)力電池隔熱罩

為保證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，整車(chē)流場(chǎng)模型中保留了機(jī)艙內(nèi)大部分部件，尤其對(duì)整車(chē)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)影響較大的冷卻模塊、風(fēng)扇、動(dòng)力總成系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化處理，對(duì)動(dòng)力電池溫度影響較大的地板、地板梁、動(dòng)力電池及隔熱罩等進(jìn)行細(xì)化處理。整車(chē)流場(chǎng)計(jì)算模型，如圖3所示；Y向?qū)ΨQ(chēng)面網(wǎng)格分布，如圖4所示。溫度場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格通過(guò)刪除整車(chē)流場(chǎng)面網(wǎng)格不必要的部件形成，保留了流場(chǎng)中地面模擬面。

圖4 整車(chē)流場(chǎng)Y向?qū)ΨQ(chēng)面網(wǎng)格分布

1.2 計(jì)算工況

本文計(jì)算工況為整車(chē)熱損害試驗(yàn)低速爬坡工況(40 km/h，9%坡，35 ℃環(huán)境溫度)，分為低速爬坡行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況和行車(chē)穩(wěn)態(tài)后熄火停車(chē)10 min工況(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況”和“熄火停車(chē)工況”)。對(duì)行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況，采用STAR-CCM+和TAITherm軟件對(duì)整車(chē)流場(chǎng)和地板下溫度場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)耦合仿真計(jì)算，獲得動(dòng)力電池表面穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布；并以此穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果作為瞬態(tài)計(jì)算的初場(chǎng)，分析了熄火停車(chē)10 min過(guò)程中地板下動(dòng)力電池表面溫度變化情況。其中，冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)散熱量通過(guò)一維仿真分析獲得，動(dòng)力總成、渦輪增壓熱端及排氣系統(tǒng)表面溫度參考以往相似車(chē)型整車(chē)熱害試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況整車(chē)速度場(chǎng)分布

圖5為整車(chē)Y向?qū)ΨQ(chēng)面速度矢量圖。無(wú)地板梁遮擋區(qū)域，機(jī)艙氣流直接沖擊到動(dòng)力電池隔熱罩表面；有地板梁遮擋區(qū)域，地板梁與動(dòng)力電池間形成漩渦，導(dǎo)致氣流流速較低。圖6為動(dòng)力電池局部不同Z向高度截面速度矢量圖。Z=450 mm截面(有地板梁)機(jī)艙來(lái)的氣流直接撞擊到地板梁，大部分沿動(dòng)力電池兩側(cè)較遠(yuǎn)地方流走；而Z=350 mm截面(無(wú)地板梁)，機(jī)艙來(lái)的氣流直接撞擊到動(dòng)力電池隔熱罩表面，再沿電池側(cè)面流走。

圖5 Y向?qū)ΨQ(chēng)面速度矢量圖

圖6 不同Z向高度截面速度矢量圖

2.2 行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況整車(chē)溫度場(chǎng)分布

圖7為整車(chē)Y向?qū)ΨQ(chēng)面溫度分布云圖。車(chē)前格柵進(jìn)入的低溫空氣經(jīng)過(guò)冷卻模塊后溫度大幅上升，流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)后機(jī)艙內(nèi)空氣溫度有所下降，但此氣流經(jīng)過(guò)渦輪增壓器、催化器等高溫部件后又被加熱，導(dǎo)致流到動(dòng)力電池表面的氣流溫度很高。動(dòng)力電池?zé)o地板梁遮擋的區(qū)域，機(jī)艙來(lái)的熱氣流直接沖擊到動(dòng)力電池隔熱罩表面對(duì)其加熱，使其溫度大幅上升；有地板梁遮擋區(qū)域，對(duì)流換熱弱，動(dòng)力電池表面溫度相對(duì)較低。

圖7 Y向?qū)ΨQ(chēng)面溫度分布云圖

圖8為動(dòng)力電池局部不同Z向高度截面溫度分布云圖。Z=450 mm截面(有地板梁)機(jī)艙來(lái)的熱氣流直接撞擊到地板梁，地板梁減弱了熱氣流與電池-X、+Y、-Y面的對(duì)流換熱效果，使得該位置動(dòng)力電池表面溫度相對(duì)較低；而Z=350 mm截面(無(wú)地板梁)機(jī)艙來(lái)的熱氣流直接撞擊到動(dòng)力電池隔熱罩表面，對(duì)流換熱強(qiáng)，致使動(dòng)力電池-X、+Y、-Y面溫度更高。

圖8 不同Z向高度截面溫度分布云圖

2.3 動(dòng)力電池表面溫度分布及分析

2.3.1 動(dòng)力電池表面溫度云圖分布

圖9為行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況動(dòng)力電池表面溫度分布云圖。動(dòng)力電池表面1(靠近排氣)、表面2(正對(duì)中通道處機(jī)艙來(lái)流)、表面5局部溫度較高，這是由機(jī)艙來(lái)的熱氣流加熱所致。

圖9 行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況動(dòng)力電池表面溫度分布云圖

2.3.2 動(dòng)力電池表面平均溫度和對(duì)流熱流密度分布

表1為兩個(gè)工況動(dòng)力電池表面平均溫度和對(duì)流熱流密度分布表。分析得出，行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況動(dòng)力電池表面平均溫度最高的為正對(duì)機(jī)艙來(lái)流的表面2，最低的為背對(duì)機(jī)艙來(lái)流的表面4，其他面溫度位于兩者之間。行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況表面1、2和5對(duì)流熱流密度為正值，表明此工況下熱對(duì)流對(duì)其加熱，使其溫度升高；故當(dāng)汽車(chē)由行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況轉(zhuǎn)變?yōu)橄ɑ鹜＼?chē)工況后，沒(méi)有對(duì)流換熱影響(熱流密度為零)，表面1、2和5平均溫度將會(huì)降低，且表面2降低值最大，為6.1 ℃。相反地，表面3、4和6對(duì)流熱流密度為負(fù)值，故當(dāng)汽車(chē)由行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況轉(zhuǎn)變?yōu)橄ɑ鹜＼?chē)工況后，表面3、4和6平均溫度將會(huì)升高，且表面4升高數(shù)值最大，為4.3 ℃。

表1 動(dòng)力電池表面平均溫度和對(duì)流熱流密度分布

當(dāng)前布置狀態(tài)下，動(dòng)力電池表面1、2、5溫度不滿(mǎn)足限值≯60 ℃的要求，且表面2超出限值11.9 ℃，超溫較多。

3 動(dòng)力電池表面溫度影響因素分析

研究了動(dòng)力電池表面溫度對(duì)熱輻射(熱源溫度、與熱源間距)和熱對(duì)流的敏感性，通過(guò)分析獲得降低熱源溫度、增加與熱源間距及減弱熱對(duì)流對(duì)動(dòng)力電池表面溫度的影響大小，為改進(jìn)優(yōu)化指明了方向。

3.1 熱源溫度對(duì)動(dòng)力電池表面溫度影響分析

熱源(前消進(jìn)氣管)溫度從原方案的424 ℃依次變?yōu)?50 ℃、300 ℃、250 ℃，動(dòng)力電池布置位置及整車(chē)其它參數(shù)保持不變。

3.1.1 行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況熱源溫度影響分析

表2為行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況不同熱源溫度下動(dòng)力電池表面平均溫度，可以看出，動(dòng)力電池六個(gè)面的平均溫度均隨熱源溫度下降而下降，其中離熱源最近的表面1溫度下降最多，離熱源最遠(yuǎn)的表面3溫度下降最少；熱源溫度從424 ℃降至250 ℃時(shí)，表面1溫度下降3.4 ℃，表面3溫度下降0.3 ℃，其它面溫度變化位于兩者之間。熱源溫度降至250 ℃時(shí)，電池表面1、2、5溫度仍不滿(mǎn)足限值≯60 ℃要求。

表2 行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況不同熱源溫度下動(dòng)力電池表面平均溫度

3.1.2 熄火停車(chē)工況熱源溫度影響分析

圖10為熄火停車(chē)工況不同熱源溫度下動(dòng)力電池表面平均溫度隨時(shí)間變化關(guān)系圖，可以看出，同一時(shí)刻動(dòng)力電池所有表面平均溫度均隨熱源溫度下降而下降，各面溫度變化規(guī)律和行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況一致，溫差數(shù)值仍然較小。

圖10 熄火停車(chē)工況不同熱源溫度下動(dòng)力電池表面平均溫度

3.2 與熱源間距對(duì)動(dòng)力電池表面溫度影響分析

與熱源間距從原方案的100 mm依次變?yōu)?20 mm、140 mm、160 mm，熱源溫度及整車(chē)其它參數(shù)保持不變。

3.2.1 行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況與熱源間距影響分析

表3為行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況與熱源不同間距下動(dòng)力電池表面平均溫度，可以看出，動(dòng)力電池表面1(靠近前消進(jìn)氣管)、表面5溫度隨與熱源間距增加而降低；表面2、3、4溫度隨與熱源間距增加而小幅升高；表面6溫度與熱源間距未呈現(xiàn)單一趨勢(shì)的變化。與熱源間距增大至160 mm時(shí)，動(dòng)力電池表面1、2、3、5溫度仍然不滿(mǎn)足限值≯60 ℃要求。

表3 行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況與熱源不同間距下動(dòng)力電池表面平均溫度

3.2.2 熄火停車(chē)工況與熱源間距影響分析

圖11為熄火停車(chē)工況不同熱源間距下動(dòng)力電池表面平均溫度隨時(shí)間變化關(guān)系圖，同一時(shí)刻動(dòng)力電池離熱源(前消進(jìn)氣管)最近的表面1溫度隨與熱源間距增加而降低，離熱源最遠(yuǎn)的表面3溫度隨與熱源間距增加而升高，其他表面溫度變化不明顯。

圖11 熄火停車(chē)工況不同熱源間距下動(dòng)力電池平均溫度

改變動(dòng)力電池與熱源間距時(shí)，動(dòng)力電池表面溫度并未像改變熱源溫度那樣出現(xiàn)單一規(guī)律的變化，有下降也有上升，但幅值均不大。這是由于動(dòng)力電池布置位置改變后，機(jī)艙來(lái)的氣體流動(dòng)軌跡也發(fā)生了變化，使得熱氣流對(duì)動(dòng)力電池對(duì)流換熱效果發(fā)生了變化，熱輻射和熱對(duì)流的綜合作用使得動(dòng)力電池表面溫度呈現(xiàn)不規(guī)則變化規(guī)律。

3.3 熱對(duì)流對(duì)動(dòng)力電池表面溫度影響分析

為減弱熱對(duì)流對(duì)動(dòng)力電池表面溫度加熱效果，依據(jù)前文分析結(jié)果優(yōu)化出兩個(gè)動(dòng)力電池布置方案，方案一(1方案)：動(dòng)力電池及隔熱罩整體沿X-向移動(dòng)100 mm，使其與地板梁緊貼，減少沿電池表面流動(dòng)的熱氣流；方案二(2方案)：地板梁沿-Z方向加高103 mm，使其與動(dòng)力電池Z向不再有高度差。兩個(gè)優(yōu)化方案動(dòng)力電池與地板梁相對(duì)位置如圖12所示。

圖12 動(dòng)力電池與地板梁相對(duì)位置圖1-地板梁;2-動(dòng)力電池;3-動(dòng)力電池隔熱罩

3.3.1 行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況熱對(duì)流影響分析

圖13～圖16依次為行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況2方案整車(chē)Y向?qū)ΨQ(chēng)面速度矢量圖、不同Z截面速度矢量圖、整車(chē)Y向?qū)ΨQ(chēng)面溫度分布云圖、不同Z截面溫度分布云圖。可以看出，地板梁幾乎完全阻擋了機(jī)艙來(lái)的熱氣流，使其不直接沖擊動(dòng)力電池，而是沿動(dòng)力電池底部、兩側(cè)較遠(yuǎn)地方流走，大幅度降低了熱氣流對(duì)動(dòng)力電池的對(duì)流加熱。

圖13 2方案Y向?qū)ΨQ(chēng)面速度矢量圖

圖14 2方案不同Z截面速度矢量圖

圖15 2方案Y向?qū)ΨQ(chēng)面溫度分布云圖

圖16 2方案不同Z截面溫度分布云圖

表4為三個(gè)方案行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況動(dòng)力電池表面平均溫度，相比原方案，1方案各面溫度均下降，但表面2溫度仍不滿(mǎn)足溫度限值≯60 ℃要求；2方案各面溫度下降幅度較大，表面1到表面6溫度下降值依次為8 ℃、16 ℃、2.4 ℃、2 ℃、10.5 ℃、3.5 ℃，2方案中動(dòng)力電池各面溫度均滿(mǎn)足溫度限值≯60 ℃要求。

表4 行車(chē)穩(wěn)態(tài)工況三種方案電池表面平均溫度

3.3.2 熄火停車(chē)工況熱對(duì)流影響分析

圖17所示為2方案熄火10 min工況動(dòng)力電池表面平均溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖，由圖可知，熄火停車(chē)10 min過(guò)程中三個(gè)方案動(dòng)力電池各面溫度變化規(guī)律不一致，但同一時(shí)刻動(dòng)力電池六個(gè)面平均溫度均是原始方案>1方案>2方案；1方案中表面1、表面2溫度不滿(mǎn)足限值≯60 ℃要求，2方案中六個(gè)面溫度在任意時(shí)刻均滿(mǎn)足溫度限值≯60 ℃要求。

圖17 O2方案熄火停車(chē)10 min工況動(dòng)力電池平均溫度

4 結(jié)論

PHEV汽車(chē)動(dòng)力電池布置于地板下靠近中通道時(shí)，通過(guò)STAR-CCM+和TAITherm軟件耦合仿真研究了動(dòng)力電池表面溫度對(duì)熱源溫度、與熱源間距及熱對(duì)流的敏感性，得出如下結(jié)論：

(1)熱源溫度、與熱源間距：動(dòng)力電池表面溫度對(duì)熱源溫度、與熱源間距的敏感性較低，故通過(guò)在熱源周?chē)黾痈魺岽胧┙档蜔嵩礈囟葋?lái)降低動(dòng)力電池表面溫度，通過(guò)加大動(dòng)力電池與熱源間距來(lái)降低動(dòng)力電池表面溫度方案收益均較小;

(2)熱對(duì)流：熱對(duì)流是影響動(dòng)力電池表面溫度的關(guān)鍵因素，故PHEV汽車(chē)布置時(shí)可將動(dòng)力電池盡量布置于遠(yuǎn)離中通道處，越靠近X正方向動(dòng)力電池受機(jī)艙熱氣流影響越小；若受整車(chē)空間限制只能布置于中通道附近時(shí)，可優(yōu)化整車(chē)部件改變氣流走向以降低熱氣流對(duì)動(dòng)力電池加熱。

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