曹良丹，朱 晴，李啟綿，陳 群，戴鑫鑫，張立營，李 英

(中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，吉林 長春 130013)

0 前言

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

PHEV高壓動力電池功率密度、能量密度大[5]，頻繁充放電時產(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力電池將長時間受高溫排氣系統(tǒng)的熱輻射，若動力電池布置位置靠近排氣熱端，還可能受機艙氣流熱對流的加熱，故PHEV動力電池整車熱環(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]，這給電池熱管理工程師帶來了極大的挑戰(zhàn)。另外，PHEV動力電池大多通過空調(diào)系統(tǒng)提供動力冷卻，降低動力電池制冷功率也能一定程度地提高汽車燃油經(jīng)濟性[6]。國內(nèi)外眾多研究人員開展了動力電池單體、模組及電池包熱管理策略、方案及材料等研究[7-10]，但對整車熱環(huán)境對動力電池溫度影響涉及甚少。

本文針對某布置于地板下靠近中通道的PHEV汽車動力電池，在不考慮電池工作時自身生熱及冷卻性能的條件下，研究整車熱環(huán)境對動力電池表面溫度的影響。通過STAR-CCM+和TAITherm軟件耦合仿真分析，獲得整車熱損害試驗低速爬坡工況下動力電池表面溫度場分布。進一步研究了動力電池表面溫度對熱對流、熱輻射的敏感性，最終提出滿足溫度限值要求的動力電池布置方案，為PHEV汽車動力電池安全、高效運行及整車燃油經(jīng)濟性提供保障。

1 計算模型及工況

1.1 計算模型

某PHEV汽車動力電池布置位置，如圖1所示。動力電池布置于地板下靠近中通道處，動力電池-X方向有一地板梁。地板梁與動力電池Z向有103 mm高度差，如圖2所示。為保證動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，提高整車燃油經(jīng)濟性，要求控制動力電池表面溫度≯60 ℃。

圖1 動力電池布置位置圖1-排氣系統(tǒng)隔熱罩;2-前消進氣管隔熱罩;3-前消進氣管;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-動力電池;11-電池隔熱罩;12-地板

圖2 動力電池與地板梁Z向相對位置圖1-地板梁;2-動力電池;3-動力電池隔熱罩

為保證仿真計算的準確性，整車流場模型中保留了機艙內(nèi)大部分部件，尤其對整車流場、溫度場影響較大的冷卻模塊、風扇、動力總成系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)進行細化處理，對動力電池溫度影響較大的地板、地板梁、動力電池及隔熱罩等進行細化處理。整車流場計算模型，如圖3所示；Y向?qū)ΨQ面網(wǎng)格分布，如圖4所示。溫度場計算網(wǎng)格通過刪除整車流場面網(wǎng)格不必要的部件形成，保留了流場中地面模擬面。

圖4 整車流場Y向?qū)ΨQ面網(wǎng)格分布

1.2 計算工況

本文計算工況為整車熱損害試驗低速爬坡工況(40 km/h，9%坡，35 ℃環(huán)境溫度)，分為低速爬坡行車穩(wěn)態(tài)工況和行車穩(wěn)態(tài)后熄火停車10 min工況(以下簡稱為“行車穩(wěn)態(tài)工況”和“熄火停車工況”)。對行車穩(wěn)態(tài)工況，采用STAR-CCM+和TAITherm軟件對整車流場和地板下溫度場進行穩(wěn)態(tài)耦合仿真計算，獲得動力電池表面穩(wěn)態(tài)溫度場分布；并以此穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果作為瞬態(tài)計算的初場，分析了熄火停車10 min過程中地板下動力電池表面溫度變化情況。其中，冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)散熱量通過一維仿真分析獲得，動力總成、渦輪增壓熱端及排氣系統(tǒng)表面溫度參考以往相似車型整車熱害試驗數(shù)據(jù)。

2 計算結(jié)果分析

2.1 行車穩(wěn)態(tài)工況整車速度場分布

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

圖5 Y向?qū)ΨQ面速度矢量圖

圖6 不同Z向高度截面速度矢量圖

2.2 行車穩(wěn)態(tài)工況整車溫度場分布

圖7為整車Y向?qū)ΨQ面溫度分布云圖。車前格柵進入的低溫空氣經(jīng)過冷卻模塊后溫度大幅上升，流經(jīng)發(fā)動機后機艙內(nèi)空氣溫度有所下降，但此氣流經(jīng)過渦輪增壓器、催化器等高溫部件后又被加熱，導(dǎo)致流到動力電池表面的氣流溫度很高。動力電池無地板梁遮擋的區(qū)域，機艙來的熱氣流直接沖擊到動力電池隔熱罩表面對其加熱，使其溫度大幅上升；有地板梁遮擋區(qū)域，對流換熱弱，動力電池表面溫度相對較低。

圖7 Y向?qū)ΨQ面溫度分布云圖

圖8為動力電池局部不同Z向高度截面溫度分布云圖。Z=450 mm截面(有地板梁)機艙來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面的對流換熱效果，使得該位置動力電池表面溫度相對較低；而Z=350 mm截面(無地板梁)機艙來的熱氣流直接撞擊到動力電池隔熱罩表面，對流換熱強，致使動力電池-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 動力電池表面溫度分布及分析

2.3.1 動力電池表面溫度云圖分布

圖9為行車穩(wěn)態(tài)工況動力電池表面溫度分布云圖。動力電池表面1(靠近排氣)、表面2(正對中通道處機艙來流)、表面5局部溫度較高，這是由機艙來的熱氣流加熱所致。

圖9 行車穩(wěn)態(tài)工況動力電池表面溫度分布云圖

2.3.2 動力電池表面平均溫度和對流熱流密度分布

表1為兩個工況動力電池表面平均溫度和對流熱流密度分布表。分析得出，行車穩(wěn)態(tài)工況動力電池表面平均溫度最高的為正對機艙來流的表面2，最低的為背對機艙來流的表面4，其他面溫度位于兩者之間。行車穩(wěn)態(tài)工況表面1、2和5對流熱流密度為正值，表明此工況下熱對流對其加熱，使其溫度升高；故當汽車由行車穩(wěn)態(tài)工況轉(zhuǎn)變?yōu)橄ɑ鹜＼嚬r后，沒有對流換熱影響(熱流密度為零)，表面1、2和5平均溫度將會降低，且表面2降低值最大，為6.1 ℃。相反地，表面3、4和6對流熱流密度為負值，故當汽車由行車穩(wěn)態(tài)工況轉(zhuǎn)變?yōu)橄ɑ鹜＼嚬r后，表面3、4和6平均溫度將會升高，且表面4升高數(shù)值最大，為4.3 ℃。

表1 動力電池表面平均溫度和對流熱流密度分布

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

3 動力電池表面溫度影響因素分析

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

3.1 熱源溫度對動力電池表面溫度影響分析

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

3.1.1 行車穩(wěn)態(tài)工況熱源溫度影響分析

表2為行車穩(wěn)態(tài)工況不同熱源溫度下動力電池表面平均溫度，可以看出，動力電池六個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，離熱源最遠的表面3溫度下降最少；熱源溫度從424 ℃降至250 ℃時，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，電池表面1、2、5溫度仍不滿足限值≯60 ℃要求。

表2 行車穩(wěn)態(tài)工況不同熱源溫度下動力電池表面平均溫度

3.1.2 熄火停車工況熱源溫度影響分析

圖10為熄火停車工況不同熱源溫度下動力電池表面平均溫度隨時間變化關(guān)系圖，可以看出，同一時刻動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)律和行車穩(wěn)態(tài)工況一致，溫差數(shù)值仍然較小。

圖10 熄火停車工況不同熱源溫度下動力電池表面平均溫度

3.2 與熱源間距對動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，熱源溫度及整車其它參數(shù)保持不變。

3.2.1 行車穩(wěn)態(tài)工況與熱源間距影響分析

表3為行車穩(wěn)態(tài)工況與熱源不同間距下動力電池表面平均溫度，可以看出，動力電池表面1(靠近前消進氣管)、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)單一趨勢的變化。與熱源間距增大至160 mm時，動力電池表面1、2、3、5溫度仍然不滿足限值≯60 ℃要求。

表3 行車穩(wěn)態(tài)工況與熱源不同間距下動力電池表面平均溫度

3.2.2 熄火停車工況與熱源間距影響分析

圖11為熄火停車工況不同熱源間距下動力電池表面平均溫度隨時間變化關(guān)系圖，同一時刻動力電池離熱源(前消進氣管)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 熄火停車工況不同熱源間距下動力電池平均溫度

改變動力電池與熱源間距時，動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。這是由于動力電池布置位置改變后，機艙來的氣體流動軌跡也發(fā)生了變化，使得熱氣流對動力電池對流換熱效果發(fā)生了變化，熱輻射和熱對流的綜合作用使得動力電池表面溫度呈現(xiàn)不規(guī)則變化規(guī)律。

3.3 熱對流對動力電池表面溫度影響分析

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

圖12 動力電池與地板梁相對位置圖1-地板梁;2-動力電池;3-動力電池隔熱罩

3.3.1 行車穩(wěn)態(tài)工況熱對流影響分析

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

圖13 2方案Y向?qū)ΨQ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為三個方案行車穩(wěn)態(tài)工況動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方案中動力電池各面溫度均滿足溫度限值≯60 ℃要求。

表4 行車穩(wěn)態(tài)工況三種方案電池表面平均溫度

3.3.2 熄火停車工況熱對流影響分析

圖17所示為2方案熄火10 min工況動力電池表面平均溫度隨時間變化曲線圖，由圖可知，熄火停車10 min過程中三個方案動力電池各面溫度變化規(guī)律不一致，但同一時刻動力電池六個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溫度不滿足限值≯60 ℃要求，2方案中六個面溫度在任意時刻均滿足溫度限值≯60 ℃要求。

圖17 O2方案熄火停車10 min工況動力電池平均溫度

4 結(jié)論

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

(1)熱源溫度、與熱源間距：動力電池表面溫度對熱源溫度、與熱源間距的敏感性較低，故通過在熱源周圍增加隔熱措施降低熱源溫度來降低動力電池表面溫度，通過加大動力電池與熱源間距來降低動力電池表面溫度方案收益均較小;

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

[1]Moura S J，F(xiàn)athy H K，Callaway D S，et al．A Stochastic Optimal Control Approach for Power Management in Plug-in Hybrid Electric Vehicles[J]．IEEE Transactions on Control Systems Technology，2011，19(3)：545-555．

[2]Stockar S，Marano V，Canova M，et al．Energy-optimal Control of Plug-in Hybrid Electric Vehicles for Real-world Driving Cycles[J]．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2011，60(7)：2949-2962．

[3]Choi Y H，Lim H K，Seo J H，et al．Development of Standardized Battery Pack for Next-generation PHEVs in Considering the Effect of External Pressure on Lithium-ion Pouch Cells[J]．SAE Int．J．Alt．Power，2018，7(3)：195-205．

[4]Payne J，Niedzwiecki M，Ketkar S，et al．Thermal Characterization & Management of PHEV Battery Packs[J]．SAE Technical Paper，2009(1):3069．

[5]Battery Thermal Management[M]．SAE International，2016.

[6]Shojaei S，Robinson S，Mcgordon A，et al．Passengers vs．Battery：Calculation of Cooling Requirements in a PHEV[J]．SAE Technical Paper，2016(1):241．

[7]Zhao M R，Ding F，LI L，et al．Nonlinear and Adaptive Model Predictive Control Methods for Battery Thermal Management System[J]．SAE Technical Paper，2021(1):217．

[8]王震坡，袁昌貴，李曉宇．新能源汽車動力電池安全管理技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢分析[J]．汽車工程，2020，42(12)：1608-1615．

[9]練晨，王亞楠，何鑫等．相變材料在汽車動力電池熱管理中的應(yīng)用新進展[J]．汽車技術(shù)，2019，12(2)：38-47．

[10]Rahman R，Rahman S．A Physics based Thermal Management Model for PHEV Battery Systems[J]．SAE Technical Paper，2018(1):80．