動力電池作為電動汽車的核心零部件之一，直接影響著電動汽車產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。由于汽車實(shí)際行駛中加速、勻速、減速工況頻繁變換，加之低溫、高熱的外部環(huán)境等，依靠傳統(tǒng)的理論計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)分析，不能滿足純電動汽車熱管理需求，而需要借助較成熟的CFD技術(shù)來對動力電池?zé)峁芾磉M(jìn)行較準(zhǔn)確的評估與分析，合理優(yōu)化電池包內(nèi)部熱環(huán)境，提高其安全性、可靠性。

1  熱管理系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

動力電池在充放電過程中，尤其在大電流充放電時，電池本身會產(chǎn)生溫升，進(jìn)而影響電池安全性能。另外，電池包內(nèi)不同單體電池溫度不均會導(dǎo)致電池容量分布不均，縮短整體電池包使用壽命。這些問題都需要通過設(shè)計(jì)高效的熱管理系統(tǒng)來解決，而且能在一定程度上降低整車能耗。

1.1  熱管理系統(tǒng)架構(gòu)

某純電動汽車熱管理系統(tǒng)采用雙蒸發(fā)器系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖1所示，即利用純電動汽車電動壓縮機(jī)產(chǎn)生的制冷量通過在動力電池包內(nèi)部增加的副蒸發(fā)器給電池包冷卻，達(dá)到乘員艙、電池包同時冷卻的目的。



雙蒸發(fā)器熱管理系統(tǒng)通過冷媒管路將用于冷卻乘員艙的主蒸發(fā)器和用于冷卻電池包的副蒸發(fā)器從壓力傳感器后分成兩條并聯(lián)支路，每一條支路中都接有電子膨脹閥和蒸發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)兩條支路獨(dú)立控制。為防止主、副蒸發(fā)器與壓縮機(jī)之間存在差距過大的壓力，需在主、副蒸發(fā)器與壓縮機(jī)之間連接壓力平衡裝置。

動力電池包內(nèi)設(shè)置的副蒸發(fā)器通過布置在其表面的小型風(fēng)扇吹拂周圍空氣達(dá)到制冷的目的，其布置示意圖如圖2所示。



1.2  熱管理系統(tǒng)工作原理

雙蒸發(fā)器熱管理系統(tǒng)工作原理如下:

1)開啟空調(diào)?？照{(diào)控制器首先根據(jù)用戶命令開啟圖1中的電子膨脹閥1以開啟主蒸發(fā)器，此時空調(diào)壓縮機(jī)開啟，空調(diào)制冷啟動。同時，空調(diào)控制器還接收電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)發(fā)出的電池降溫需求指令。根據(jù)該指令，空調(diào)控制器開啟圖1中的電子膨脹閥2以開啟副蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)電池降溫。

2)關(guān)閉空調(diào)?？照{(diào)控制器根據(jù)用戶命令關(guān)閉圖1中的電子膨脹閥1，此時如果電池?zé)峁芾碇评湫枨笕源嬖?，則只關(guān)閉主蒸發(fā)器功能。同理，如果電池?zé)峁芾碇评湫枨笾噶钕?，但是用戶制冷需求存在，則只關(guān)閉副蒸發(fā)器功能。只有在圖1中的電子膨脹閥1和2均接收到斷開指令時，空調(diào)壓縮機(jī)才停止工作。

2  電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真分析及驗(yàn)證

該純電動汽車熱管理系統(tǒng)高溫冷卻方式采用空氣冷卻冷凝器，通過蒸發(fā)器制冷實(shí)現(xiàn)電池冷卻。由于動力電池的低溫加熱功能使用另外一套熱管理系統(tǒng)，故本文僅針對純電動汽車動力電池包的高溫冷卻進(jìn)行研究。

2.1  電池系統(tǒng)冷卻仿真模型建立

1)電池包3D模型。利用Icepak軟件可采用自建模型或?qū)?fù)雜模型導(dǎo)入兩種方式建立該純電動汽車電池的3D模型。其主要部件包括電池包外殼、電池單體、電池模組、離心風(fēng)機(jī)等。為了保證分析結(jié)果精度，需要考慮模組內(nèi)單體電池之間的間隙。建立的電池包3D模型如圖3所示。



2)流體數(shù)學(xué)模型。流體傳熱過程中都受物理守恒定律制約，基本的守恒定律包括:質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律等。

質(zhì)量守恒定律:



式中:ρ為密度;t為時間;u、v和w是速度矢量在x、y和z方向的分量。cp是比熱容;T為溫度;k為流體的傳熱系數(shù);ST為流體的內(nèi)熱源。

3)網(wǎng)格劃分。根據(jù)建立的動力電池包幾何模型，使用六面體網(wǎng)格、多級網(wǎng)格、局部加密網(wǎng)格，劃分出高質(zhì)量的空間封閉網(wǎng)格，并將處理后的網(wǎng)格模型進(jìn)行幾何錯誤或間隙的檢查，劃分的網(wǎng)格如圖4所示。



2.2  仿真結(jié)果及分析

2.2.1  電池包高溫冷卻穩(wěn)態(tài)仿真

利用電池包穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)電池包的溫度分布趨勢，對電池包成組設(shè)計(jì)及改進(jìn)起到重要的作用。



從圖5電池包內(nèi)部跡線分布可以看出，電池包流體分布比較均勻。

從圖6電池包高溫冷卻穩(wěn)態(tài)溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，跡線分析是合理的，電池包在流體分布均勻的區(qū)域溫度也相對均勻。



2.2.2  電池包高溫冷卻瞬態(tài)仿真

對電池包進(jìn)行瞬態(tài)分析與實(shí)際情況更接近，并能夠利用試驗(yàn)驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性(見圖7)。



電池包高溫冷卻環(huán)境溫度為40℃，電池包進(jìn)風(fēng)口位置溫度為19℃，采用1C放電。通過對電池包進(jìn)行瞬態(tài)分析，電池包在1C放電1h最大溫差為7.1℃，最高溫度為37.2℃，滿足熱管理高溫冷卻要求。

2.3  動力電池冷卻試驗(yàn)驗(yàn)證

將整車放置于環(huán)境艙內(nèi)，并將環(huán)境溫度設(shè)置為電池包仿真時極限溫度，待環(huán)境艙溫度滿足試驗(yàn)要求時即可開展熱管理試驗(yàn)。

某純電動汽車動力電池包本體共布置了5個溫度采集點(diǎn)(T1～T5)。試驗(yàn)開始前，需安裝好試驗(yàn)儀器，確認(rèn)車輛狀態(tài)，并啟動汽車進(jìn)行預(yù)熱;關(guān)閉車門、車窗、開啟空調(diào);空調(diào)模式選擇面風(fēng)模式，空調(diào)溫度設(shè)置24℃，風(fēng)速調(diào)整中間擋;預(yù)熱約30min后，汽車進(jìn)入最高速運(yùn)行狀態(tài)，試驗(yàn)開始并記錄各測溫點(diǎn)的溫度，數(shù)據(jù)每隔5min測量一次，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

試驗(yàn)前后，動力電池最高溫度為57℃，試驗(yàn)時間約為65min，試驗(yàn)開始后任意30min內(nèi)，電池包各單體最大溫升≤22℃，各單體平均溫升≤20℃，各單體平均溫差≤12℃，電池包最高溫度≤60℃，均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。



3  結(jié)束語

電池?zé)崮Ｐ脱芯渴请姵責(zé)峁芾碓O(shè)計(jì)過程中重要組成部分，采用雙蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足純電動汽車熱管理需求，利用Icepak軟件進(jìn)行熱管理仿真分析，能夠反映電池包溫度分布趨勢，且分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)差距較小，說明Icepak應(yīng)用于新能源電動車電池包仿真分析是可行的，對溫度傳感器布置的數(shù)目及位置起到指導(dǎo)作用。