楊 揚(yáng)

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)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(yán)重，造成霧霾天氣頻頻發(fā)生且嚴(yán)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(dòng)汽車不再需要發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒來驅(qū)動(dòng)車輪行駛，而是通過動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即動(dòng)力電池供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)能量來驅(qū)動(dòng)車輪行駛；整個(gè)過程相比，新能源汽車沒有燃燒反應(yīng)，沒有尾氣排放，不會(huì)對空氣產(chǎn)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(fèi)用為傳統(tǒng)燃油車的1/5倍左右，長期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)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(diǎn)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(jìn)步，電動(dòng)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （驅(qū)動(dòng)電機(jī)+動(dòng)力電池）以及電子電器設(shè)備等組成；其中動(dòng)力電池供給新能源行駛的動(dòng)力［2］，從而電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪向前行駛。動(dòng)力高壓電池電壓高達(dá)300~600V左右，車輛在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，而電池需要在一定溫度范圍之內(nèi)才能正常工作，溫度太高或者太低都會(huì)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(dòng)力電池電壓在300~600V左右，本文主要對某自主品牌配備的動(dòng)力電池進(jìn)行模擬熱場分布，該品牌動(dòng)力電池電壓420V，以下主要通過CATIA軟件對一組三元鋰電池內(nèi)部流道進(jìn)行模擬分析，分析其內(nèi)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?yàn)橥L(fēng)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(jì)3排18個(gè)，電池棒之間間隔為5mm［3］。在進(jìn)行電池流道模型網(wǎng)格劃分時(shí)，主要采用非結(jié)構(gòu)三邊形、四面體網(wǎng)格；在實(shí)際操作過程中，結(jié)合模型特點(diǎn)及模擬重點(diǎn)對網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行了合理劃分，合理的網(wǎng)格數(shù)量不僅加快計(jì)算速度，同時(shí)也會(huì)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(shè)定

重力加速度方向設(shè)置在Y方向上為-9.81m/s2，即進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)模型，開啟能量方程［4］；進(jìn)口設(shè)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(shè)定為outflow；本文主要模擬自然情況下，電池棒的冷卻效果，故設(shè)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(shè)定進(jìn)口空氣速度為0.5m/s，進(jìn)口溫度為25℃，電池棒初始溫度設(shè)定為40℃。以下主要模擬不同時(shí)間的電池棒溫度，具體模擬結(jié)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(gè)時(shí)間段下電池棒整體溫度云圖。從模擬仿真得到的云圖結(jié)果可以看出，在15min內(nèi)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(shí)間點(diǎn)截面溫度云圖?？梢钥闯觯弘S著時(shí)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(jìn)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(cè)溫度相對較高；整體而言，電池降溫效果比較明顯。

5 結(jié)論

本文主要對國內(nèi)某新能源汽車配備的動(dòng)力電池組中其中一組電池進(jìn)行了溫度場模擬。從模擬結(jié)果可以看出：15min左右電池內(nèi)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(nèi)部流道溫度場，在同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可起到指導(dǎo)作用，可以通過模擬來設(shè)計(jì)電池殼體進(jìn)出口位置及冷卻參數(shù)等。