某PHEV車型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的1D/3D耦合分析

易 橫，孫絡(luò)典，鄧承浩，昝建明，任 勇，柳 陽，岳明輝，尹福利

（1.長安新能源汽車科技有限公司，重慶 401120；2.長安汽車股份有限公司，重慶 400020）

近年來，對于全球氣候變暖以及環(huán)境保護的關(guān)注，激發(fā)了人們對于新能源汽車的研究熱情[1-2]。包括純電動車（BEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）、增程式混合動力車（EREV）和燃料電池汽車（FCV）在內(nèi)的新能源汽車，由于其在經(jīng)濟性和法規(guī)要求等方面的優(yōu)勢，市場滲透率不斷提高[3-5]。電池包是所有新能源汽車中的重要零部件[6-8]，電池包熱管理系統(tǒng)也由于與電池的耐久性、安全性及容量密切相關(guān)顯得十分重要。溫度過高有可能引起電池的熱失控，而溫度過低將極大地影響電池容量[9-10]。

1D與3D仿真是研究電池包及其熱管理系統(tǒng)電-熱耦合現(xiàn)象的有力工具，特別是在車型開發(fā)的早期階段，因此，相關(guān)學(xué)者在此領(lǐng)域進(jìn)行了一些研究工作[11-19]。這些研究覆蓋了不同的電池冷卻模式（風(fēng)冷[11，13，15，18，19]、水冷[12，17]和相變材料冷卻[12]），不同的電池?zé)嶝?fù)荷建模方法（常數(shù)模型[17，19]、電化學(xué)模型[12，15，16]、等效電路模型[11，13，15]）和不同電池類型（方形電池[12-13]、圓柱形電池[18-19]、模組[12-13]、整包[15]）。一些研究采用了真實的邊界條件并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比[13]。大部分研究只應(yīng)用了3D建模的方法，只有少數(shù)研究采用了1D/3D耦合建模的方法[15，18]。

本文針對長安汽車某PHEV車型的電池包（含8個模組，96個電芯）及其熱管理系統(tǒng)（水冷模式），采用1D/3D耦合分析的方法進(jìn)行了研究，討論了以下要點：

（1）利用試驗數(shù)據(jù)回歸建立電芯的1D等效電路模型，用于計算電芯的準(zhǔn)確熱負(fù)荷，該1D模型考慮了溫度和SOC的影響，計算結(jié)果將作為3D仿真的輸入。

（2）利用商用CFD軟件建立電池包及其熱管理系統(tǒng)的3D仿真模型，與1D等效電路模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，穩(wěn)態(tài)計算提供壓力、流量等分布，并為后續(xù)瞬態(tài)計算提供初始條件。

（3）在選定的高溫惡劣工況下進(jìn)行1D/3D耦合的瞬態(tài)分析，計算并討論電芯的溫度分布，預(yù)測冷卻水出口水溫并與試驗值進(jìn)行對比。

1 1D電池等效電路模型

在對電池包及其熱管理系統(tǒng)熱傳遞過程的研究中，電芯熱負(fù)荷是一個重要的方面[20-21]。在以往的研究中，電芯熱負(fù)荷主要有3種建模方式，分別是：常數(shù)模型、電化學(xué)模型和等效電路模型[22]。常數(shù)模型中，電芯內(nèi)熱負(fù)荷被認(rèn)為是空間均勻的且不隨時間變化，這種模型無法考慮電芯隨工況變化的電流和電壓，因此與實際情況有一定差距。電化學(xué)模型是基于電芯內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，需要較多關(guān)于內(nèi)部幾何細(xì)節(jié)的參數(shù)，模型的預(yù)測精度受這些參數(shù)影響較大，也需要用試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。而等效電路模型（ECM）是基于混合脈沖特性性能曲線（HPPC）或恒流放電試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行建模的，有較高的預(yù)測精度且不需要電芯內(nèi)部幾何細(xì)節(jié)。本研究利用西門子商業(yè)軟件Battery Design Studio（BDS），選取了一階RCR等效電路模型進(jìn)行了電芯的建模，建模中用電芯在不同溫度和SOC狀態(tài)下的HPPC試驗數(shù)據(jù)回歸了模型參數(shù)，所以模型考慮了這兩個參數(shù)的影響[23]。圖1對比了電芯電壓的預(yù)測值和試驗值，可以看到R2=0.991，顯示出等效電路模型很好的預(yù)測性能，此1D模型的參數(shù)將被傳遞到STARCCM+中，用于3D CFD模擬中電芯熱負(fù)荷的計算。

圖1 HPPC試驗曲線與CECM預(yù)測值對比

2 3D電池包熱管理系統(tǒng)的CFD模型

本研究利用長安汽車某PHEV車型的CAD數(shù)模，建立了電池包及其熱管理系統(tǒng)的3D CFD模型，模型包括電芯、模組外殼、空氣域、水冷板、冷卻水流道和電池包外殼等幾個部分。圖2展示的模型中定義了包括空氣、冷卻水、固體和電芯在內(nèi)的4種材料，包含了2 246個部件和3 089萬個網(wǎng)格。

圖2 電池包的3D CFD 模型

利用此3D模型首先進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)仿真，得到的流場將作為后續(xù)瞬態(tài)流-固耦合分析的初始條件。圖3是管路、水冷板中冷卻水壓力分布的情況。穩(wěn)態(tài)分析同時顯示出通過不同模組的冷卻水流量的非均勻性，這提示了后續(xù)通過改進(jìn)流量均勻性來提升電池溫度均勻性的可能性。

圖3 冷卻水流通區(qū)域壓力分布

3 高溫惡劣工況下的1D-3D耦合瞬態(tài)分析

在一個選定的高溫惡劣工況（40 ℃急加緩減）下，利用建立的1D-3D耦合模型進(jìn)行瞬態(tài)分析。在此工況下電芯的生熱量較高，因此控制電芯的溫度和分布均勻性都顯得較為重要。利用所建立的1D等效電路模型，可以將隨時間變化的電池電流和熱負(fù)荷考慮在內(nèi)。圖4是從車載RMS中提取出的電池電流試驗曲線，將用作瞬態(tài)分析的邊界條件。

圖4 車載RMS中提取的電池電流試驗曲線

1D-3D耦合分析是在商業(yè)CFD軟件STARCCM+ 13.06.011中進(jìn)行的，使用了300個處理器并行計算。在所研究的工況下，流場在整個過程中變化很小而溫度場變化很大，為了減小計算量，將穩(wěn)態(tài)模擬中的流場用于瞬態(tài)分析并“凍結(jié)”起來，計算時間將大大減小。西門子BDS軟件中的1D等效電路參數(shù)以數(shù)據(jù)文件的形式傳輸?shù)絊TAR-CCM+中，之后的整個分析都在STAR-CCM+中完成。在每一個時間步內(nèi)，1D等效電路模型將計算出的熱負(fù)荷傳遞給3D流場，同時3D仿真將電芯上每個點的溫度反饋給1D模型用于確定該溫度下的模型參數(shù)，以這種方式1D-3D的雙向耦合分析得以實現(xiàn)。圖5展示了電芯溫度分布的仿真結(jié)果，從中可以計算出電芯之間的最大溫差，這對電池壽命有很大影響。在此算例中，當(dāng)模型運行到900 s時，電芯溫度分布在35～40 ℃之間，電池最大溫差在5 ℃左右。

圖5 電芯溫度分布的仿真值

為了量化模型的計算精度，將電池包冷卻水出口水溫的預(yù)測值與試驗值進(jìn)行了對比，如圖6所示。出口水溫開始一段與試驗值有較大偏差，這是因為模型的初始溫度設(shè)為均勻分布，和實際情況有所差異。而當(dāng)流動和傳熱達(dá)到穩(wěn)定后，水溫的預(yù)測值和試驗值的平均偏差在1 ℃以內(nèi)，體現(xiàn)出較好的預(yù)測性。

圖6 電池包出口水溫預(yù)測值-試驗值對比

從仿真結(jié)果中還發(fā)現(xiàn)，電池的熱量主要由冷卻水帶走，經(jīng)由空氣散失的熱量只占總散熱量的5%以下，對總體結(jié)果影響很小。這也證明之前所做的假設(shè)，即將電池包外圍風(fēng)速設(shè)置為常數(shù)，是合理的。

4 結(jié)論

本文建立了電池包及其熱管理系統(tǒng)的1D/3D耦合分析模型，并將其應(yīng)用在長安某款PHEV車型的電池包（含8個模組，96個電芯）之中，進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬分析，得到了以下結(jié)論：

（1）電芯的電-熱性能用1D等效電路模型進(jìn)行建模描述，模型參數(shù)用HPPC試驗數(shù)據(jù)擬合得到，與試驗數(shù)據(jù)的對比顯示1D模型具有良好的預(yù)測性能（R2=0.991）。

（2）利用CFD軟件STAR-CCM+對電池包及其熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了三維建模，穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果為后續(xù)瞬態(tài)模擬提供了初始條件，并且提示了通過改進(jìn)流量均勻性來改進(jìn)電芯溫度分布均勻性的可能性。

（3）利用此1D-3D耦合模型，在選定的高溫惡劣工況下對電池包冷卻效果進(jìn)行模擬仿真，出于對電池壽命的關(guān)心，利用仿真對電芯的溫差進(jìn)行考察，與試驗結(jié)果的對比顯示出口水溫的預(yù)測值誤差在1 ℃以內(nèi)，預(yù)測效果較好。

（4）通過空氣的散熱占總散熱量的比例在5%以內(nèi)，與冷卻水帶走的熱量相比，對最終分析結(jié)果影響很小。

上述結(jié)論證明1D/3D耦合分析方法在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)建模分析的過程中，尤其是早期開發(fā)階段有很重要的作用。