一种纯电动轿车电池组冷却专业系统设计及仿真.doc

一个纯电动轿车电池组冷却系统设计及仿真 摘 要：介绍了某纯电动轿车两种冷却系统设计方案，利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真软件建立整个电池组仿真模型，经过仿真和试验相结合手段获取仿真模型中蒸发器等效模型关键参数，从而进行高温工况下电池组散热情况数值模拟，指导冷却系统方案设计。对比两组仿真结果，确定蒸发器分体式冷却方案对电池组冷却效果显著优于集中式，且该冷却系统能够有效确保电池在高温环境下运行稳定性，预防热失控现象发生。 关键词：纯电动轿车；热管理系统；冷却；数值模拟 中图分类号：U469.72+2文件标文件标识码：A文件标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.01.08 动力电池作为新能源纯电动汽车动力起源，在提升整车性能和降低成本方面全部有至关关键作用，其温度特征直接影响到纯电动汽车性能、寿命和耐久性1-2。现在在电池容量受到限制情况下，电池成组技术水平对电池系统发展很关键，而电池热管理系统作为电池成组技术关键关键技术之一，对提升电池一致性和确保整车安全性全部至关关键。在夏季，电动汽车运行过程中，对电池充放电会伴伴随大量热量产生，如不立即散热，电池组内部温度会急剧上升，且温差不停加大，加剧电池内阻和容量不一致性，甚至造成热失控，存在很大安全隐患。 电池组冷却系统设计需采取系统化设计方法，同时为节省研究成本，需要借助成熟CFD技术来完善对电池组热特征正确评定和分析。 针对现在传统开放式冷却系统不能很好地满足电池组运行需求现实状况，本文提出一个全封闭式冷却系统方案，利用蒸发器对电池组进行主动散热。经过CFD仿真对所设计两种方案进行数值模拟，最终确定较优方案。 1 电池组冷却系统设计 1.1 电池组冷却系统 空气冷却根据冷却系统采取结构不一样，分为串行和并行两种方法；根据是否使用风扇，分为强制及自然两种冷却方法。 自然冷却无冷却风扇，冷却效果比较差。强制冷却关键利用冷却风扇进行冷却，因为其实现成本较低、散热效果很好、可靠性高等特点，现在新能源汽车关键采取此种方法对电池组进行冷却3-4。 某纯电动轿车冷却系统利用空气作为冷却介质对电池组进行冷却，电池组内部选择能量型三元材料动力电池，采取密闭式热管理系统，利用强制冷却方法对电池组进行冷却。箱体全封闭式，空气从风机出口，沿着系统内风道冷却发烧电池模组，最终回到风机形成内循环。冷却系统风道示意图图1和图2所表示，风扇部署在蒸发器前端。 本文所述电池组冷却系统，当空调系统开始制冷工作时，压缩机转动将进入其中低温低压气态制冷剂压缩为高温高压气体状态，高温高压制冷剂在压缩机连续不停压力下被送入冷凝器里将其变为中温高压液体。随即制冷剂再经过干燥器进行气液分离，并将制冷剂中残留水分除去。制冷剂经过膨胀阀，因膨胀阀有限流作用，使液态制冷剂经过限量后进入电池组内部蒸发器，制冷剂因压力降低而使体积膨胀，当液态制冷剂在压力下降到一定值时，会由液态直接蒸发为气态并在蒸发器芯体上吸收周围大量热能，使蒸发器芯体温度降低。当有自然风从蒸发器芯体翅片或扁管上经过时，蒸发器芯体会对自然风降温，并将降温后空气送出蒸发器总成以产生电池包内部制冷效果5。 因为蒸发器所在位置不一样造成其制冷效果会出现较大差异，分体式蒸发器制冷效果好，但在安装制造方面存在较大困难；集中式蒸发器制冷效果较分体式差，但安装相对较为方便。所以需要利用CFD软件对电池组进行高温冷却仿真，选择较优方案。 1.2 冷却系统蒸发器制冷量计算 冷却系统设计早期需要依据整车性能设计目标需求计算蒸发器制冷量，以此作为蒸发器部件选型关键依据。 。 式中，Cp为电池单体比热容，J/（kg?K）；m为电池单体质量，kg；mi为电池单体每种材料质量，kg；Ci为电池单体每种材料比热容，J/（kg?K）。 假设电池组内部设计n个电池单体，热管理系统目标要求所控制温升T，由经典热力学公式可得： Q电池组。 电池组实际制冷过程中，电池组内空气温度是随时间改变，制冷时间为 t，则 。 式中，q为热流密度，J/（m2?s）； A为散热面积，m2。 冷却工况下蒸发器制冷量计算，电池组是工作，需要考虑电池发烧量。 Q电池。 式中，q为放电功率，w；t为制冷时间，s。 蒸发器总制冷量为 QQ电池+ Q + Q电池。 2 电池组仿真模型建立 2.1 模型简化 综合利用CFD软件自建模及外部导入两种方法，建立电池组仿真模型，考虑到电池组内部实际结构复杂性，需对其进行简化，去除无须要几何特征，比如倒角、圆角等。 电池系统内部设计有蒸发器等元件，若保持其原始模型，会大大增加仿真计算成本和难度，所以需要进行合理等效简化，在系统内部建立其对应等效模型。 2.2 蒸发器等效模型建立 2.2.1 蒸发器阻抗计算 系统阻抗和风速无关，关键是由模组部署、风道设计等决定。 为获取蒸发器阻抗特征，需对蒸发器进行风洞试验。在入口处给定一定风速，经过测量进风口、出风口两处压力得到前后压差P。 系统阻抗方程： 。 式中，k1、k2为系统阻尼系数；为空气密度，kg/m?； v为进风口速度，m/s；P为压降。 在系统进风口处分别将风速设置为5 m/s和10 m/s。经过计算，对于集中式冷却方案蒸发器： 。 对于分体式冷却方案蒸发器： 。 2.2.2 蒸发器仿真模型建立 利用仿真软件建立蒸发器等效模型，图5所表示，并经过一定手段将以上计算得到蒸发器阻抗特征输入到系统中。为验证所建立等效模型合理性，利用CFD软件对所建立模型模拟风洞试验，即在入口处给一定对风速，经过测量进出风口两处压力得到压力差，得到其前后速度及压力分布情况，图6和图7所表示，图8为试验结果。 考虑到蒸发器实际模型较为复杂，故利用CFD软件中散热器模型对其进行简化，散热器底座和翅片分别模拟蒸发器中间芯体和翅片。 图6为利用CFD软件对其建立风洞模型。当设计蒸发器进口容积风量为100 m3/h，得到速度分布情况，其中最大风速为12.9 m/s。 图7为当设计蒸发器进口容积风量为100 m3/h，得到压力损失情况。 经过对蒸发器分析能够看出，蒸发器前端压力最大为182 Pa，后端为-67 Pa，故其压力损失为247 Pa。图8为试验测试结果，P为242 Pa，经过对比表明此种简化等效方法是合理。 3 CFD流体数学模型 流体传热过程中全部受物理守恒定律制约，基础守恒定律包含：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等6。 连续性方程： 。 式中，为流体密度，kg/m?；ui为流体速度沿i方向分量。 动量方程： 。 式中，p为静压力，Pa；ij为应力矢量；gi为i方向重力分量；Fi为因为阻力和能源而引发其它能源项。 能量方程： 。 式中，h为熵；k为分子传导率；kt为因为湍流传输而引发传导率；Sh为定义体积源。 4 网格划分 因为模型内部存在风扇，若全部采取笛卡尔六面体网格可能会造成风扇外形失真，但网格数目会降低，所以风扇采取六面体连续性网格（Unstructured），剩下面采取笛卡尔六面体网格（Cartesian）。 5 边界条件设定 电池组1C放电电流为60 A，三元电芯内阻为19 m，整个电池组为32并92串，动力电池组总成外壳下底板材料为SPCC（冷轧碳素薄钢板），电池组上盖采取PC（非晶体工程材料），电池组模块固定板材料为丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物板（Acrylonitrile-Butdiene-Styrene，ABS），依据所选风扇输入其P-Q曲线，蒸发器制冷功率为500 W。 6 两种冷却方案仿真结果分析 6.1 集中式冷却方案仿真分析 高温工况，即环境温度为40 ，轴流风机在蒸发器前端，加热器不工作，风机及蒸发器工作，蒸发器制冷功率为500 W，仿真结果图9和图10所表示。 从图9和图10能够看出，在蒸发器制冷功率为500 W时，电池包内局部单体电池仍然有一定温升，3 600 s时最大温升为9.06 。从整个系统横截面能够看出，电池组中不一样位置温度分布温差较大，靠近蒸发器端温度较低，远离蒸发器位置温升较大，电池组内部存在温度分布不均匀问题。 6.2 分体式冷却方案仿真分析 当采取分体式冷却方案时，蒸发器制冷功率为500 W（左右两侧分别有一个蒸发器，各自功率均为250 W），热仿真结果图11和图12所表示。 由图11和图12能够看出，电池包内局部单体电池3 600 s内最大温升为6.58 。电池组尾部局部温升较大，能够经过改善风道方法来加以改善，整体温度分布较为均匀。 7 两种冷却方案对比总结 7.1 集中式冷却方案仿真结果总结 经过瞬态仿真分析，取得了电池组内部温度随时间改变分布情况。 从以上截图能够看出，在环境温度为40 ，蒸发器制冷功率为500 W时，电池包内局部单体电池仍然有一定温升，3 600 s时最大温升为9.06 ，不超出55 。但同时能够看出，电池组中不一样位置温度差较大。 总而言之，集中式冷却方案在高温工况下冷却性能较差。 7.2 分体式热管理系统仿真结果总结 经过瞬态仿真分析，取得了电池组内部温度随时间改变分布情况。 从以上截图能够看出，在环境温度为40 ，蒸发器制冷功率为500 W，电池1 C放电情形下，电池包内局部单体电池仍然有一定温升，3 600 s时最大温升为6.58 ，不超出50 。 同时能够看出，整个系统中靠近加热器后模组部分模组电池温升相对较大，但电池组整体较为平均，故分体式热管理系统基础上处理了集中式热管理系统温差过大影响，经过改善风道及优化结构实现分体式热管理系统。 8 结论 （1）空调制冷原理利用于电池热管理系统是可行，能够有效地对电池组进行冷却。 （2）经过阻抗计算分析对蒸发器进行简化是合理。 （3）利用CFD软件进行热管理系统仿真分析，能够反应电池组温度分布趋势，说明将CFD技术应用于新能源电动汽车电池组热管理系统方案设计是可行。 （4）蒸发器分体式冷却方案对电池组冷却效果优于集中式冷却方案。 （5）某纯电动轿车电池组冷却系统为密闭式设计，可在高温环境下对电池组进行有效冷却，避免热失控现象出现。 参考文件（References）： EHSANI M.Modern Electric，Hybrid Electric，and Fuel Cell VehiclesM. 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