電池艙結(jié)構(gòu)的散熱分析

朱張旺

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

隨著環(huán)境污染和能源緊缺問題的日益嚴(yán)重，新能源汽車越來越受到重視。純電動(dòng)客車作為新能源汽車家族中的一員，目前已成為研究熱點(diǎn)。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的核心部件之一，其中鋰離子電池因其電壓高、循環(huán)好、無記憶效應(yīng)、比能量高以及無污染等特點(diǎn)，常被作為動(dòng)力電池，但在其充放電過程中因受極化熱、反應(yīng)熱和焦耳熱等影響會產(chǎn)生較多熱量，從而促使電池的溫度上升[1]。而動(dòng)力電池對工作溫度有一定要求，若超過工作溫度范圍，則其就不能正常工作。

純電動(dòng)客車在行駛時(shí)，動(dòng)力電池處于大電流放電狀態(tài)，尤其在加速和上坡過程中，電流可達(dá)幾百安培，產(chǎn)生大量的熱量[2]；并且為滿足防護(hù)要求，動(dòng)力電池箱體防護(hù)等級為IP67。目前電池箱體冷卻方式為自然風(fēng)冷，主要靠車輛運(yùn)行時(shí)車內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行散熱。磷酸鐵鋰電池工作溫度為-20℃～60℃，而我國夏季大部分地區(qū)溫度最高可達(dá)40℃，因此合理的電池艙結(jié)構(gòu)和電池布置，是保證純電動(dòng)客車正常運(yùn)行的必要條件。

本文以某型號純電動(dòng)客車為例，選用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，安裝布置在車尾后艙位置，共8箱電池，每箱電池108個(gè)電池單體，額定容量273.6 kC。為保證客車安全運(yùn)行，設(shè)定電池溫度為60℃，車輛強(qiáng)行停止運(yùn)行，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。為方便電池散熱，該電池箱體內(nèi)部電池單體采用單層布置，電池箱體內(nèi)部布置如圖1所示。

圖1 電池箱體內(nèi)部布置

1 電池產(chǎn)熱量計(jì)算

熱力學(xué)第二定律指出：凡是有溫差存在的地方，就有熱能自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞。電池箱體的冷卻散熱，就是利用冷卻介質(zhì)同電池間的溫差，將電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量帶走，防止電池溫度過高帶來的種種不利影響。

電池產(chǎn)熱量的計(jì)算應(yīng)用 Bernardi[3]等人提出的理論計(jì)算公式。該模型假設(shè)電池內(nèi)部各處的產(chǎn)熱相同，表達(dá)式為：

(1)

式中：Φ為電池的發(fā)熱功率(W);I為電池的電流強(qiáng)度(A)；E0為電池的開路電壓(V)；E為電池的端電壓(V)；T為電池的溫度(℃)；dE0/dT為溫度影響系數(shù)，對特定的電池一般為常量，這里取0.5 mV/℃[4]。

E0-E可以表示為IR,R為單體電池內(nèi)阻[5]，在電池不過充過放的條件下，可定為常數(shù)，這里的值為0.8 m， 因此式(1)又可以寫為：

(2)

2 電池艙仿真模型

電池艙內(nèi)電池布置為4層，每層2箱電池，如圖2所示。電池箱的下方為電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)位于客車底部，與外界環(huán)境直接接觸，對電池散熱影響較小，故在此文的仿真中不予考慮。電池箱的支撐梁為方鋼，所占空間較少，對電池的散熱影響較小。為了提高仿真效率，仿真模型對其不考慮，并對門縫等細(xì)節(jié)進(jìn)行簡化。為保證電池散熱，電池艙2側(cè)艙門、左側(cè)下方艙門和后艙門均設(shè)計(jì)了格柵，底部與外界相通，右側(cè)下方為無格柵的充電口艙門。車輛行進(jìn)時(shí)，氣流通過側(cè)面格柵進(jìn)入，從車輛后艙門格柵與車輛下方流出，同時(shí)蒙皮為鐵質(zhì)，也參與電池艙的換熱。圖3為電池艙橫截面示意圖，圖4為簡化后的電池艙仿真模型。

圖2 客車三維模型示意圖

圖3 電池艙橫截面示意圖

在圖4的電池艙仿真模型中，左、右電池艙門和左側(cè)下艙門格柵為氣體入口處，采用速度入口邊界條件，底部以及后艙門格柵處為氣體出口處，采用壓力出口邊界條件，蒙皮和電池組均采用壁面邊界條件，其具體數(shù)值的采用介紹如下。

圖4 電池艙仿真模型

由于客車在城市道路運(yùn)行，一般運(yùn)行速度為30～50 km/h，約為8～14 m/s，本文取氣流入口速度為10 m/s；出口處與外界環(huán)境相通，故出口邊界設(shè)定為環(huán)境壓力，外界環(huán)境溫度為40℃；蒙皮表面有氣流流過，設(shè)定對流換熱邊界條件；電池設(shè)定為體積熱源，需要設(shè)定產(chǎn)熱量，其值根據(jù)公式(2)，電流選取273.6 kC,可得出單體電池產(chǎn)熱量為3.1 W，每箱由108個(gè)單體組成，產(chǎn)熱量約335 W；蒙皮與外界環(huán)境接觸，故其初始溫度為40℃。

本文氣流入口速度采用10 m/s，經(jīng)計(jì)算其馬赫數(shù)小于0.3，雷諾數(shù)為9 200>2 320，故氣體視為不可壓縮，氣流選為湍流模型。

3 CFD仿真分析[6]

根據(jù)第2節(jié)的分析，對電池艙的簡化模型設(shè)置相關(guān)的邊界條件，并進(jìn)行CFD仿真分析，得到電池箱表面溫度分布圖，如圖5所示。

圖5 電池箱表面溫度分布

從電池箱的表面溫度云圖中可以看出，車輛運(yùn)行時(shí)，電池箱的最高溫度約為45℃，最低溫度約40℃。

電池艙內(nèi)的流場分布如圖6所示。

圖6 電池艙內(nèi)的流場分布圖

從圖6可以看出，氣體經(jīng)過格柵后流速增大，流動(dòng)跡線也較多，因此在上方的左、右格柵處的電池箱表面溫度最低，而右下角處氣體流速相對較小且流動(dòng)跡線較少，從而此處的對流換熱量較少，因此電池箱表面的最大溫度出現(xiàn)在右下角的電池箱。從圖6中可看出，從左下側(cè)格柵進(jìn)入的氣體，基本直接從底部流出，沒有參與電池箱的換熱，但上方經(jīng)換熱后的氣體流入到下方時(shí)，則被其快速帶出艙體，提高了換熱效率，并且從左下側(cè)格柵進(jìn)入的氣體流經(jīng)電動(dòng)機(jī)，提高了電動(dòng)機(jī)的散熱性能。

根據(jù)CFD分析結(jié)果可知，電池的溫度處于其正常工作范圍內(nèi)，因此電池艙結(jié)構(gòu)和布置滿足動(dòng)力電池正常工作需求。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

某地7月中的某日氣溫為32℃～42℃，對該型號純電動(dòng)客車全天運(yùn)行時(shí)的電池溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在每箱動(dòng)力電池中的不同位置安裝6個(gè)溫度傳感器，測量電池箱體內(nèi)部不同位置溫度。將電池在不同時(shí)刻測得的最小溫度和最大溫度繪制成曲線，如圖7所示。

圖7 電池極值溫度曲線

由圖7可見，在客車全天運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，電池箱體內(nèi)部溫度隨環(huán)境溫度變化；在下午運(yùn)行時(shí)，電池的最低溫度為40℃，最高溫度為47℃，低于電池安全工作最高溫度60℃。

5 結(jié)束語

本文對某型號純電動(dòng)客車的動(dòng)力電池散熱進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明客車以10 m/s的速度運(yùn)行在外界溫度為40℃的環(huán)境時(shí)，電池艙內(nèi)和電池的最高溫度低于60℃，滿足電池放電時(shí)正常的溫度范圍-20℃～60℃。通過采集客車實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電池溫度數(shù)據(jù)，也表明了電池艙結(jié)構(gòu)的散熱性能可滿足動(dòng)力電池的正常工作要求，同時(shí)實(shí)驗(yàn)在高溫時(shí)段測得的電池溫度與仿真結(jié)果相差不大，驗(yàn)證了仿真模型的有效性和仿真結(jié)果的可參考性。所以該車的電池艙結(jié)構(gòu)和布置完全滿足客車的正常運(yùn)行需求。