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        電動(dòng)汽車電池散熱分析

        2014-03-13 11:40:46孔繁華
        北京汽車 2014年3期
        關(guān)鍵詞:模型

        鄭 鑫,喬 鑫,孔繁華,李 飛

        (華晨汽車工程研究院 車身CAE工程室,沈陽 110141)

        0 引 言

        純電動(dòng)汽車具有環(huán)境污染小,噪聲低,能源利用率高,結(jié)構(gòu)簡單,使用維修方便,經(jīng)久耐用等特點(diǎn),備受廣大用戶的關(guān)注。電動(dòng)車的電池為鐵鋰電池,鋰離子動(dòng)力電池因其優(yōu)越的功率輸出特性和壽命長等特點(diǎn),目前在汽車電池箱中得到廣泛的應(yīng)用。但鋰的化學(xué)性質(zhì)非?;顫?,對(duì)溫度變化較敏感,而且車輛上的裝載空間有限,大量電池緊密排列連接,當(dāng)車輛在高速、低速等不同行駛狀況下運(yùn)行時(shí),電池會(huì)以不同倍率放電,生熱速率不同,隨著時(shí)間積累及空間影響會(huì)產(chǎn)生不均勻熱量聚集,導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境溫度復(fù)雜多變,很容易燃燒。當(dāng)電池充放電時(shí),電池內(nèi)部持續(xù)升溫,若散熱不好,會(huì)產(chǎn)生氣體膨脹,電池內(nèi)壓加大,易爆裂,漏液。同一個(gè)電池箱,不同位置的散熱條件不均勻,引起電池組間充放電不平衡,經(jīng)過多次充放電之后,電池間的差異性將越來越大,最終導(dǎo)致電池容量下降,降低電池使用壽命。

        電池箱散熱方式有 2種,主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,需要較大的附加功率,對(duì)車輛的巡航里程有所影響,但它的熱管理更加有效。被動(dòng)系統(tǒng)所采用的措施比較簡單,沒有使用冷卻單元,直接依靠空氣帶走電池箱的熱量,達(dá)到電池散熱的效果,此方法成本較低,但散熱能力有限。

        基于項(xiàng)目組新開發(fā)車型的要求,需要計(jì)算電池箱的散熱性能,是否滿足整車的散熱要求,若設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理,提出修改建議;確定電池箱的散熱方式滿足散熱要求[1]。

        1 模型計(jì)算

        本車采用圓柱磷酸鐵鋰電池,由于電池箱布置在車底部,空間位置有限,電池箱被分為A、B箱,一共2009節(jié)電池,如圖1、圖2所示。原設(shè)計(jì)方案在電池箱中A箱、B箱的進(jìn)口和出口各放置風(fēng)扇,強(qiáng)制帶動(dòng)電池箱A箱、B箱內(nèi)空氣流動(dòng),帶走電池散發(fā)的熱量,即采用主動(dòng)散熱方式散熱。

        1.1 網(wǎng)格模型

        本次仿真采用前處理軟件HyperMesh進(jìn)行面網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)量為8261366,采用國內(nèi)流行軟件STAR-CCM+進(jìn)行流體仿真分析,劃分六面體網(wǎng)格1500萬,如圖3所示。

        電池的體積為7.3e-5m3,發(fā)熱量為0.3 W,導(dǎo)熱系數(shù)為 3 W/(mk)。由于電池是復(fù)合材料組成的,為簡化模型計(jì)算,假定電池為一圓柱實(shí)體,材料為電芯材料,密度為 2260 kg/m3,比熱為1276.1 J/kg·K。電池槽材料為工程塑料,一共41個(gè),尺寸大小不等。電池箱長1.9 m,寬1.2 m,如圖4所示。

        1.2 邊界條件

        入口邊界條件:速度入口,5m/s;風(fēng)扇轉(zhuǎn)速:6000 r/min;環(huán)境溫度:25℃;出口邊界條件:壓力出口;計(jì)算時(shí)間為20 min,若電池溫度繼續(xù)升高,可延長計(jì)算時(shí)間。

        2 結(jié)果分析

        2.1 冷流場分析

        從圖 5中,可以得到整個(gè)電池組內(nèi)每節(jié)電池表面的速度分布比較均勻。在電池的正負(fù)極區(qū)域有一定的風(fēng)速,可以帶走電池散發(fā)的部分熱量。從圖 6可以觀察出,整個(gè)電池箱內(nèi)風(fēng)的分布及大小,觀察是否有渦流存在,為電池散熱評(píng)估提供感觀認(rèn)知;并且模擬出了風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn),可以測出進(jìn)出口風(fēng)速的大小[2]。

        圖 7為整個(gè)電池箱內(nèi)電池的壓力分布,可以看出,壓力分布比較均勻,最大壓力差為6.227 Pa。原因主要是由于風(fēng)直接吹到電池上,速度梯度變化較大,此處易產(chǎn)生渦流,導(dǎo)致空氣不流暢,壓力增大??梢酝ㄟ^在風(fēng)直吹電池處前端設(shè)置擋板,起到緩流作用,降低壓力差。

        2.2 溫度場分析

        計(jì)算溫度場,要考慮電池與環(huán)境的熱量交換,電池和電池箱內(nèi)要做interface,才能與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。由于電腦設(shè)備有限,用整個(gè)模型做散熱分析,耗時(shí)較長,為簡化計(jì)算,把整個(gè)電池箱分為A、B箱,單獨(dú)計(jì)算溫度場。用冷流場計(jì)算的速度場結(jié)果作為計(jì)算溫度場的入口條件,計(jì)算結(jié)果不失真[3]。

        工作6 min時(shí),從A箱溫度場分布可以看出,溫度相對(duì)均勻,溫度差為1℃。溫度較小地方為沖風(fēng)端,帶走熱量比較多;工作20 min時(shí),A箱電池溫度分布相對(duì)均勻,溫度差為2.4℃;工作60 min后,電池包內(nèi)電池溫度差為5.6℃,如圖8所示。

        由于Region32處于電池A箱內(nèi)部,經(jīng)過其附近的風(fēng)速較小,散熱條件有限,如圖 9所示。取Region32為測試目標(biāo),工作60 min后的溫度變化曲線如圖10所示。此節(jié)電池溫度還處于上升階段。

        如圖11所示,電池工作4.5 min時(shí),B箱內(nèi)電池溫差小于1℃;電池工作20 min時(shí),電池組的溫差小于1℃;電池工作66 min后,溫差2.1℃;電池工作 121 min時(shí),電池組的溫度狀態(tài)。溫差4.6℃。B箱的工作狀態(tài)比較好。

        取電池風(fēng)道入口Region4為目標(biāo)(如圖12所示),從監(jiān)控點(diǎn)溫度曲線圖可以看出,電池溫度還在增長中,如圖13所示。

        從電池A箱和B箱的溫度分布圖中可以看出,電池箱內(nèi)溫度場分布比較均勻,電池溫度仍繼續(xù)上升。由于試驗(yàn)考慮40 min內(nèi)電池溫升情況,本次仿真,延長計(jì)算時(shí)間,預(yù)測電池溫度變化情況,為準(zhǔn)確地評(píng)估電池箱的散熱性能提高保障[4]。

        3 結(jié) 論

        從仿真結(jié)果得到以下結(jié)論。

        1)只有建立整個(gè)電池箱的模型,才能真正地反映出電池箱內(nèi)部風(fēng)速及壓力分布,觀察出電池箱內(nèi)是否存在渦流,為電池箱設(shè)計(jì)人員提供修改意見;

        2)用冷流場計(jì)算的速度場結(jié)果,提供計(jì)算溫度場的入口條件,簡化溫度場的計(jì)算模型,提高計(jì)算效率,結(jié)果不失真;

        3)延長仿真計(jì)算時(shí)間,觀察電池溫度隨時(shí)間的變化情況,更好、更準(zhǔn)確的評(píng)估電池箱的散熱性能;

        4)采用仿真手段,避免了試驗(yàn)的盲點(diǎn),可以觀察整個(gè)電池箱內(nèi)所有電池,任一位置的速度分布、壓力分布和溫度分布。

        [1]Wu M S,Wang Y Y,Wan C C. Thermal Behavior of Nickel/metal Hydride Batteries During Charge and Discharge[J].J. Power Sources,1998,74;202-210.

        [2]Gu W B,Wang C Y. Thermal-Electrochemical Modeling of Battery System[J]. J. The Electrochemical Soc. 2000,147(8):2910-2922.

        [3]Johnson V. Batteries Models in ADVISOR[R]. 2002:321-329.

        [4]王福軍,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2004.

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