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業化的進程?由于汽車實際行駛中加速?勻速?減速工況頻繁變換,加之低溫?高熱的外部環境等,依靠傳統的理論計算或經驗分析,不能滿足純電動汽車熱管理需求,而需要借助較成熟的CFD技術來對動力電池熱管理進行較準確的評估與分析,合理優化電池包內部熱環境,提高其安全性?可靠性?

1熱管理系統架構及工作原理

動力電池在充放電過程中,尤其在大電流充放電時,電池本身會產生溫升,進而影響電池安全性能?另外,電池包內不同單體電池溫度不均會導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計高效的熱管理系統來解決,而且能在一定程度上降低整車能耗?

1.1熱管理系統架構

某純電動汽車熱管理系統采用雙蒸發器系統,其架構如圖1所示,即利用純電動汽車電動壓縮機產生的制冷量通過在動力電池包內部增加的副蒸發器給電池包冷卻,達到乘員艙?電池包同時冷卻的目的?

雙蒸發器熱管理系統通過冷媒管路將用于冷卻乘員艙的主蒸發器和用于冷卻電池包的副蒸發器從壓力傳感器后分成兩條并聯支路,每一條支路中都接有電子膨脹閥和蒸發器,可實現兩條支路獨立控制?為防止主?副蒸發器與壓縮機之間存在差距過大的壓力,需在主?副蒸發器與壓縮機之間連接壓力平衡裝置?

動力電池包內設置的副蒸發器通過布置在其表面的小型風扇吹拂周圍空氣達到制冷的目的,其布置示意圖如圖2所示?

1.2熱管理系統工作原理

雙蒸發器熱管理系統工作原理如下:

1) 開啟空調?空調控制器首先根據用戶命令開啟圖1中的電子膨脹閥1以開啟主蒸發器,此時空調壓縮機開啟,空調制冷啟動?同時,空調控制器還接收電池熱管理系統發出的電池降溫需求指令?根據該指令,空調控制器開啟圖1中的電子膨脹閥2以開啟副蒸發器,實現電池降?

2) 關閉空調?空調控制器根據用戶命令關閉圖1中的電子膨脹閥1,此時如果電池熱管理制冷需求仍存在,則只關閉主蒸發器功能?同理,如果電池熱管理制冷需求指令消失,但是用戶制冷需求存在,則只關閉副蒸發器功能?只有在圖1中的電子膨脹閥1和2均接收到斷開指令時,空調壓縮機才停止工作?

2電池熱管理系統仿真分析及驗證

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

2.1電池系統冷卻仿真模型建立

1) 電池包3D模型?利用Icepak軟件可采用自建模型或將復雜模型導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?離心風機等?為了保證分析結果精度,需要考慮模組內單體電池之間的間隙?建立的電池包3D模型如圖3所示?

2) 流體數學模型?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:質量守恒定律?動量守恒定律和能量守恒定律等?

質量守恒定律:

動量守恒定律:

能量守恒定律:

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

2.2仿真結果及分析

2.2.1電池包高溫冷卻穩態仿真

利用電池包穩態分析結果可以發現電池包的溫度分布趨勢,對電池包成組設計及改進起到重要的作用?

從圖5電池包內部跡線分布可以看出,電池包流體分布比較均勻?

從圖6電池包高溫冷卻穩態溫度分布可以發現,跡線分析是合理的,電池包在流體分布均勻的區域溫度也相對均勻?

2.2.2電池包高溫冷卻瞬態仿真

對電池包進行瞬態分析與實際情況更接近,并能夠利用試驗驗證仿真分析的準確性(見圖7)?

電池包高溫冷卻環境溫度為40℃,電池包進風口位置溫度為19℃,采用1C放電?通過對電池包進行瞬態分析,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動力電池冷卻試驗驗證

將整車放置于環境艙內,并將環境溫度設置為電池包仿真時極限溫度,待環境艙溫度滿足試驗要求時即可開展熱管理試驗?

某純電動汽車動力電池包本體共布置了5個溫度采集點(T1~T5)?試驗開始前,需安裝好試驗儀器,確認車輛狀態,并啟動汽車進行預熱;關閉車門?車窗?開啟空調;空調模式選擇面風模式,空調溫度設置24℃,風速調整中間擋;預熱約30min后,汽車進入最高速運行狀態,試驗開始并記錄各測溫點的溫度,數據每隔5min測量一次,試驗結果見表1?

試驗前后,動力電池最高溫度為57℃,試驗時間約為65min,試驗開始后任意30min內,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℃,均滿足設計指標?

3結束語

電池熱模型研究是電池熱管理設計過程中重要組成部分,采用雙蒸發器結構設計滿足純電動汽車熱管理需求,利用Icepak軟件進行熱管理仿真分析,能夠反映電池包溫度分布趨勢,且分析結果與試驗數據差距較小,說明Icepak應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目及位置起到指導作用?

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