電動車動力電源的熱特性分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計

文 /袁婕 陳偉 徐曉明

一、前言

發(fā)展節(jié)能與新能源汽車是我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略，也是實現(xiàn)交通節(jié)能減排的重要舉措。隨著國家不斷出臺促進新能源汽車發(fā)展的優(yōu)惠政策，國內(nèi)主要汽車企業(yè)都開展了新能源汽車的研究開發(fā)和制造，重點發(fā)展混合動力客車且已經(jīng)在國內(nèi)多個城市運行。

混合動力客車作為交通工具，其安全性能也成為大眾關(guān)心的熱點問題。動力電源系統(tǒng)是混合動力客車的核心部件，動力電池在使用過程中會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進而產(chǎn)生一定熱量，若熱量過于聚集，則可能會引起爆炸和燃燒。因此對動力電源系統(tǒng)的散熱性能進行分析具有重大的研究意義。

二、研究思路

文章主要是針對某種電源系統(tǒng)的散熱性能進行有限元仿真分析，研究其在不同風量下的流場及溫度場分布情況，并通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計提高動力電源系統(tǒng)的散熱性能，從而進一步提高動力電源系統(tǒng)的安全性能。

1. 電源系統(tǒng)的配置和結(jié)構(gòu)簡介

采用180只42Ah鋰離子電池串聯(lián)成一套576V動力電源系統(tǒng)。該動力電源系統(tǒng)采用2個電池包的結(jié)構(gòu)形式，每個電池包有6組15串42Ah鋰離子電池、2只風扇及管理系統(tǒng)組成。6組電池模塊等間距分布，單體電池之間采用絕緣格柵隔開，每只電池單面被絕緣格柵遮擋面積百分比為4×10/130=30%，即格柵寬度方向上遮擋40mm（絕緣格柵寬度為133.5mm）。

圖1 電源系統(tǒng)箱體（a）和電池單體間絕緣格柵（b）的三維圖

2. 物理和熱力學(xué)參數(shù)

圖2 風扇風壓與流量曲線

表1 試驗實測的電池和引用的數(shù)據(jù)

表2 鋰離子電池其他材料的熱物性參數(shù)

3. 電源系統(tǒng)的網(wǎng)格模型和簡介

空氣從底部的六個圓形進風口進入，分別對應(yīng)于六個模塊下部，采用并行進風方式，從下部進入，而后從電池間隙由下而上流出，最終被風機帶出系統(tǒng)外部。其進風口如圖3所示：

圖3 電池組系統(tǒng)的進風口

4. 仿真邊界條件

由于低雷諾數(shù)的標準的K-ε湍流模型能提供流動的真實情況，尤其適合于計算通道中的湍流流動，計算時采用該模型。

（1）進風口：1.8m3/min；2.0m3/min

（2）出風口：壓力出口

（3）熱源：電芯（發(fā)熱量根據(jù)提供溫升數(shù)據(jù)獲得）

（4）環(huán)境溫度：25℃

（5）進風口溫度：25℃

5. 動力電源系統(tǒng)的流場和溫度場分析

（1）風量為1.8m3/min時的結(jié)果

采用1C充放電循環(huán)的試驗條件，其溫度場分布如圖4所示：

系統(tǒng)的最高溫度為：46.1℃，溫升為21.1℃，最大溫差為：7.8℃。圖中可以看出：溫度的分布是呈模塊兩端不均勻分布，這與底部流道的傾斜度是有著直接關(guān)聯(lián)的，而模塊間的溫度分布的一致性還是較好的，這說明在不同模塊的同一截面溫度差異是較小的。

其流場分布如圖5所示：

圖4 電池組系統(tǒng)溫度場分布

圖5 電池組系統(tǒng)流場分布

流場分布顯示：進風口對應(yīng)的底部界面，其流速較為一致，但是在空氣沿電池間隙向上的過程中，流速較小，這對帶走電池表面的熱量是不利的，這部分的風道需要繼續(xù)優(yōu)化。

（2）風量為2m3/min時的結(jié)果

采用1C充放電循環(huán)的試驗條件，其溫度場分布如圖6所示：

圖6 電源系統(tǒng)溫度場分布

系統(tǒng)的最高溫度為：42.2℃，溫升為17.2℃，最大溫差為：7.6℃。該分布圖與流量為1.8m3/min時是相似的，但是高溫區(qū)域有所減小。

其流場分布與流量為1.8m3/min時一致。

三、仿真分析結(jié)果

表3 不同流量的仿真結(jié)果對比

不同風量的結(jié)果顯示：增加流量可以降低系統(tǒng)的最高溫度，同時會影響到電池的溫差。另外，在保證系統(tǒng)最高溫度滿足要求的情況下，盡量不要增加額外的動力消耗，對風機的選型也會加大難度。

四、結(jié)論和建議

1. 結(jié)論

（1）本電源結(jié)構(gòu)的電池散熱能力可以滿足維持在推薦的工作溫度范圍內(nèi)，即快充時電池的溫升須小于25℃的經(jīng)驗限制要求。

（2）半仿真電源系統(tǒng)驗證在1C充電放電循環(huán)時、無風扇敞開檢測條件下，電池的最高溫度≤45℃，整體溫差D5～D7℃。

2. 建議

（1）調(diào)整底部風道的傾斜角度的大小，優(yōu)化風道；

（2）加大電池間的間隙；

（3）根據(jù)散熱量計算系統(tǒng)所需風量合理選用風機