基于CFD的電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

痿喬澤民，郭 棟，范 維，衛(wèi) 兵，杜已超

（1.山西省檢驗(yàn)檢測中心，太原 030032；2.北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問題與環(huán)境問題逐漸變成制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問題，傳統(tǒng)燃油汽車的普遍化推動了人類社會經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代文明的高速發(fā)展，同時(shí)也帶來了嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題，因此節(jié)能和環(huán)保成為汽車技術(shù)發(fā)展的主題之一。在過去的十幾年間，純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車及其相關(guān)的零部件技術(shù)得到了快速發(fā)展，世界汽車工業(yè)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)燃油汽車向未來氫燃料電池汽車的過渡和發(fā)展。

就目前來說，我國政府重視清潔高效汽車技術(shù)的開發(fā)，因此針對電動汽車動力電池組散熱問題已經(jīng)成為近年來研究的重要方向。由于鋰離子動力電池組具有充電快等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為蓄電池領(lǐng)域的主流，又因鋰離子動力電池的特異和復(fù)雜，因此專家和學(xué)者不斷地對其各項(xiàng)性能問題做出分析和研究，在其使用效率和壽命的延長等問題上都做了主要的研究。隨著我國工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷改革進(jìn)步和發(fā)展，電池組的安全監(jiān)測和管理已經(jīng)成為了重要的關(guān)鍵技術(shù)。鋰離子動力電池現(xiàn)如今已被廣泛地應(yīng)用于人們的日常生活和工程中的每一個(gè)領(lǐng)域，但是這些電池組自身存在的安全性問題以及其使用壽命方面的問題嚴(yán)重地制約了這些電池組自身的發(fā)展以及其商業(yè)化?；谏鲜鏊鶅?nèi)容，本文就電池組散熱問題進(jìn)行了深入地分析和研究。

1 設(shè)計(jì)原理與數(shù)學(xué)模型

1.1 基本控制方程

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速崛起，從計(jì)算方法、網(wǎng)格技術(shù)、湍流模型、大渦模擬等方面應(yīng)用廣泛，在計(jì)算量子流體質(zhì)量動力學(xué)時(shí)經(jīng)常使用，對于CFD的數(shù)學(xué)控制定律方程的基本性質(zhì)，其實(shí)是對控制定律結(jié)果進(jìn)行表征的數(shù)學(xué)控制公式，又可稱為控制數(shù)學(xué)表征公式。質(zhì)量守恒的方程式就是從這個(gè)定律中被推導(dǎo)出來的，世界上的任何流動性的問題也必須得到滿足。該微分方程式可以用下列形式表示：

動量守恒的方程與質(zhì)量守恒的方程相似，它的性質(zhì)簡單地說明來就是牛頓第二定律。表述公式為：

1.2 控制方程的離散和數(shù)值解法

在計(jì)算流體力學(xué)中采取了一種數(shù)值計(jì)算的方法，就必然需要對這個(gè)過程進(jìn)行一次離散。對于控制方程進(jìn)行了離散化的處理，即劃分一個(gè)網(wǎng)格，當(dāng)這個(gè)網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到了足夠精細(xì)時(shí)，我們可以認(rèn)定該方程的求解為無窮，而且可能會逐漸趨近精確求解。

隨著對科研技術(shù)工作者的創(chuàng)新探索和課題研究進(jìn)一步深入，其中基于離散式的研究方法也將更加多種多樣。所以這些計(jì)算方法在我國學(xué)術(shù)界就已經(jīng)發(fā)展形成了差分法、有限元法、有限元和體積差分法這些比較離散和量化的計(jì)算方法。

當(dāng)我們已經(jīng)建立了與離散控制系統(tǒng)方程相關(guān)最適合的一個(gè)離散控制方程函數(shù)組時(shí)，所需要面臨的第一個(gè)重要任務(wù)是那便是對控制方程函數(shù)組的離散結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行分析求解。

1.3 散熱特性分析

當(dāng)一輛電動汽車工作時(shí)，電池內(nèi)部會出現(xiàn)一種放電的現(xiàn)象，內(nèi)部與空氣之間會發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)，使得電池溫度上漲。若該電池組在通風(fēng)狀態(tài)條件較差情況下，便可能會出現(xiàn)電池組燃燒乃至于爆炸等危險(xiǎn)事故，而電池組的空氣散熱，主要是為了充分考慮到空氣在大流中所產(chǎn)生的問題，因此對電池組進(jìn)行散熱和穩(wěn)定性分析是非常有必要的。

本文主要針對鋰離子電池組內(nèi)的溫度變化分布是否均勻合理作為研究目標(biāo)，并針對鋰離子電池組的殼體結(jié)構(gòu)和通風(fēng)氣孔的布局等方式做出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和建模。通過調(diào)整蓄電池組的內(nèi)部通風(fēng)口和孔速度位置，以及對比和改善蓄電池組的內(nèi)部通風(fēng)孔和速度設(shè)計(jì)使其中的散熱片和性能系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，采用CFD系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)可靠性的仿真實(shí)驗(yàn)分析。

2 電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模型建立

2.1 電池組的模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型

純動力電動汽車中的鋰電池組模型中各參數(shù)可按表1中取得。

表1 原始數(shù)據(jù)

根據(jù)大量的相關(guān)參考文獻(xiàn)以及資料分析可知，在鎳基鋰離子復(fù)合電池組得基本結(jié)構(gòu)和功能布局應(yīng)用方式主要有兩種基本形式，一種就是采用不同行列式結(jié)構(gòu)的電池組，另一種是互相穿插布局的電池組，通過Fluent前期仿真和模擬分析，在相同的條件下，行列式的布局更加容易散熱，因此選擇了行列式布局方案，如圖1所示。本次設(shè)計(jì)了18塊電池，分兩列進(jìn)行布置。

圖1 本設(shè)計(jì)的電池組布局方案

2.2 帶有通風(fēng)孔的電池組模型

在溫室通風(fēng)口的各個(gè)位置上我們不僅可以清楚看到風(fēng)具有多種不同的特殊情況，許多的科學(xué)文獻(xiàn)資料也都對這種特殊情況出現(xiàn)做出了深入的理論研究和實(shí)驗(yàn)仿真，甚至一些科學(xué)專家和相關(guān)學(xué)者都認(rèn)為是通過這些實(shí)踐進(jìn)行探索的。一般來說帶有通風(fēng)口的電池組模型三維建模的設(shè)計(jì)方法與普通電池組模型非常類似，本文可以選擇不同通風(fēng)口的位置：頂部開口的位置，電池組前端的位置，電池組側(cè)邊的位置。通過三維建模可以得到帶有通風(fēng)口的電池組流場模型圖。

圖2 通風(fēng)口位于電池組上端

圖3 通風(fēng)口位于電池組前端

圖4 通風(fēng)口位于電池組側(cè)邊

本文建立了四套電池組和流場的三維模型，比較了帶有通風(fēng)口的三組模型和未建立通風(fēng)口的電池組模型，進(jìn)而通過仿真分析其溫度及流速。

3 電池組的散熱特性分析

3.1 無通風(fēng)口時(shí)電池組散熱分析

通過對無通風(fēng)口的電池組進(jìn)行仿真，如圖5所示為鋰電池組運(yùn)行過程中，溫度變化及流速變化的仿真模擬圖。

圖5 電池組無通風(fēng)口時(shí)溫度云圖

如圖5所示，為電池組內(nèi)部溫度變化分布云圖，事實(shí)上是把鋰電池組外部的壁面涂層除去之后的溫度分布云圖，圖中顯示了鋰電池組在其內(nèi)部的溫度變化分布，為了能夠滿足實(shí)際要求的外界工作溫度26℃，而在動力蓄電池組的整流場內(nèi)部的溫度就看不到了，因此本文對其視圖進(jìn)行一種切片式的高溫?zé)崽幚怼Ｈ鐖D6所示的復(fù)合切片云圖其實(shí)就是一個(gè)比較橫向的關(guān)于復(fù)合材料切片云圖，因此可以直接的觀察流場內(nèi)部的所有氣體和氣流溫度等的分布以及狀態(tài)等情況，但是這樣的切片云圖也還是有一定的時(shí)間限制和技術(shù)局限性，因此如圖7所示的復(fù)合材料切片的云圖，既有一個(gè)橫向的復(fù)合切片又可以包括一個(gè)縱向的復(fù)合切片，這樣可以表達(dá)的更加清楚。

圖6 橫向切片云圖

圖7 橫向及縱向切片云圖

由切片云圖可知，低溫區(qū)域很少，溫度基本維持在327.4K左右。說明沒有通風(fēng)口時(shí)，整體溫度還是很高，因此需要對電池組外殼設(shè)計(jì)通風(fēng)口。

圖8 電池組無通風(fēng)口時(shí)流線圖

上圖顯示的是電池組無通風(fēng)口時(shí)的流線圖，我們可以清晰的看到進(jìn)口處的溫度比較低，而中間的溫度還是比較高的，但是靠近外壁面的流線的溫度更低。

3.2 不同位置通風(fēng)口的散熱分析

按照對無通風(fēng)口電池組仿真分析的操作步驟，對其余三種不同類型的帶有透氣孔道的電池組模型進(jìn)行了散熱分析。

1）通風(fēng)口在電池組上端位置

觀察如圖9～圖11所示的結(jié)果溫度分布圖，通風(fēng)口在上端的電池組的最高溫度為338.6K，最低溫度就是入口溫度300K。左端部分的6～8塊電池降溫比較明顯，而右邊的電池溫度有所下降，但是還是處于稍高的溫度，溫度分布在309.6K至319.3K之間。

圖9 通風(fēng)口位于上端的溫度云圖

圖10 通風(fēng)口位于上端的切片云圖

圖11 通風(fēng)口位于上端的流線圖

2）通風(fēng)口位置在電池組前端位置

觀察溫度分布仿真結(jié)果，將測試數(shù)據(jù)結(jié)果作為溫度誤差分布示意圖12，通風(fēng)口在上端的汽車蓄電池組最高工作溫度可以設(shè)定為339.3K，最低溫度也可能就是汽車進(jìn)出口的最低溫度300K。

圖12 通風(fēng)口位于前端的結(jié)果云圖

圖13、圖14所示左邊的部分8～10塊新型鋰離子燃料電池的平均降溫幅度相對來說比較明顯，而右邊的部分8塊鋰離子燃料電池的平均溫度雖然也并沒有所謂的升高，但是仍然依舊處于一個(gè)稍高的平均溫度。通過對用戶觀察一個(gè)小型切片中的云圖我們幾乎可以清楚準(zhǔn)確地分析得知，這種采用模擬高壓降溫供電方式的小型電池組仍然可能會持續(xù)出現(xiàn)一定不同程度的熱量減少，因?yàn)橐话阒挥?0～12塊左右的小型模擬降溫電池組在區(qū)間內(nèi)熱流場小但溫度持續(xù)減少的現(xiàn)象還是很明顯的，大約溫度會持續(xù)集中在309.8K左右。

圖13 通風(fēng)口位于前端的切片云圖

圖14 通風(fēng)口位于前端的流線圖

3）通風(fēng)口在側(cè)邊位置

觀察測試結(jié)果分析如下，圖15所示的本次測試觀察結(jié)果，根據(jù)工作溫度電壓變化量的分布曲線圖，通風(fēng)口在上端的動力蓄電池組最高工作溫度可以設(shè)定為345.2K，最低的最高溫度也可能就是通風(fēng)進(jìn)出口的最高溫度300K。

圖15 通風(fēng)口位于側(cè)邊的溫度云圖

圖16、圖17所示左邊的部分8塊式的鋰離子動力電池雖然正常降溫幅度相對來說比較明顯，而右邊的部分8塊鋰離子動力電池的正常溫度雖然也只是有所稍微升高，但是仍然依舊處于略微稍高一點(diǎn)的正常溫度。通過對一個(gè)切片中的云圖數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，這種采用模擬電池降溫工作方式的容量電池組仍然可能會持續(xù)出現(xiàn)一定不同程度的容量減少，因?yàn)橹挥?～10塊左右的容量電池降溫區(qū)間處于流場，溫度持續(xù)減少的明顯程度仍然還是很明顯的，大約溫度會持續(xù)集中在311K左右。

圖16 通風(fēng)口位于側(cè)邊的切片云圖

圖17 通風(fēng)口位于側(cè)邊的流線圖

4 結(jié)語

本文通過基于CFD的原理，對電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和散熱分析，可以得出一下結(jié)論：

通過對比兩種鋰離子動力電池的散熱溫度分布變化和熱量分布散熱狀態(tài)，對比圖5、圖9、圖12和以及圖15，能夠分析得到具備通風(fēng)口的鋰電池組散熱分布狀態(tài)明顯地優(yōu)于無通風(fēng)口電池組，進(jìn)而可以說明一個(gè)帶有任何透氣孔的智能電池組的整體散熱性能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)的要高于沒有任何透氣孔的電池組，散熱性能效果要好的多。

通過在電池組三種位置設(shè)置通風(fēng)口，對三種電池組的流速及溫度場數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，施加相同的散熱負(fù)荷和周圍沒有邊界的散熱條件下，其中位于前端電池組的散熱狀態(tài)最佳，溫度大致為309.8K左右，實(shí)驗(yàn)的溫度云圖、流線圖和切片云圖能夠得出在每個(gè)通風(fēng)口處的位置方向是否為正確，且動力電池組在進(jìn)行通風(fēng)時(shí)的內(nèi)部散熱狀態(tài)狀況是否良好。

通過本文研究，可以為電動汽車鋰電池組中通風(fēng)口方式的設(shè)計(jì)，以及其他相應(yīng)散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了依據(jù)。