0 前言
能源與環(huán)境的壓力致使各國(guó)政府、汽車(chē)廠家、研發(fā)機(jī)構(gòu)紛紛投入人力物力來(lái)研究傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的替代品,推動(dòng)了混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。插電式混合動(dòng)力汽車(chē)由于是混合動(dòng)力向純電動(dòng)過(guò)渡的最優(yōu)方案,受到各國(guó)政府和汽車(chē)廠家的高度重視,并陸續(xù)推出了自己相應(yīng)的產(chǎn)品。電池作為插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的主要儲(chǔ)能元件,是插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的關(guān)鍵部件,直接影響到整車(chē)的性能。鋰離子電池由于工作電壓高、功率密度和能量密度高、充放電壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),目前插電式混合動(dòng)力汽車(chē)上己大部分應(yīng)用。鋰離子電池包如果長(zhǎng)時(shí)間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中,這將影響電池包的使用壽命,降低電池包的性能;電池包內(nèi)溫度長(zhǎng)久不均勻分布,會(huì)導(dǎo)致電池模塊、各單體間的性能不一致性;同時(shí)電池包的熱管理對(duì)整車(chē)運(yùn)行安全意義重大。熱管理系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能主要為:(1)電池溫度過(guò)高時(shí)有效散熱和通風(fēng);(2)保證電池組之間的溫度均勻分布;(3)低溫條件下的快速加熱,使電池組能正常工作;(4)有害氣體產(chǎn)生時(shí)的良好通風(fēng)。鋰離子電池包熱管理系統(tǒng)的冷卻包括空冷和液冷兩種方式。由于空冷方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量相對(duì)較小、成本低且有害氣體能有效通風(fēng),本文研究的基于某插電式鋰離子電池包的熱管理系統(tǒng)采用空冷方式冷卻,自然滿足(4)的功能要求,借助STAR-CCM+仿真軟件,主要著眼點(diǎn)在于滿足(1)和(2)的功能要求。
1 數(shù)值計(jì)算模型
1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分
圖1為本文研究的某款插電式混合動(dòng)力汽車(chē)鋰離子電池包熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,冷卻方式為空冷,冷卻空氣以抽風(fēng)的方式從鋰離子電池包外殼的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入包內(nèi),如圖1中紅色箭頭所示風(fēng)的流向可以看出,主風(fēng)道將氣流按比例分為兩股分別對(duì)電池包兩邊的電池模組進(jìn)行散熱,最終帶有熱量的空氣從出風(fēng)口被抽出。針對(duì)模組而言,該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為并聯(lián)結(jié)構(gòu)散熱,模組與模組之間的散熱風(fēng)量互不干擾;但對(duì)單體電池而言,局部卻客觀存在不利于電池溫度均勻分布的串行結(jié)構(gòu)存在。
圖1 某插電式鋰離子電池包熱管理系統(tǒng)示意圖
考慮到該鋰離子電池包熱管理系統(tǒng)的實(shí)際散熱情況,將計(jì)算域分成三部分:分別為流體域、電池域和散熱翅片域,計(jì)算三者間的換熱關(guān)系。該電池包產(chǎn)生的熱量主要被散熱翅片導(dǎo)出,然后經(jīng)流過(guò)的冷卻空氣將散熱翅片上面的熱量帶出包外,電池模組包的塑料外殼不參與換熱,此處當(dāng)做壁面處理。通過(guò)STAR-CCM+軟件中的包面功能和剪切功能,得到所需的物理域后生成體網(wǎng)格,共計(jì)697萬(wàn),如圖2所示。其中電池域和流體域是Trimmer網(wǎng)格,總計(jì)430萬(wàn),散熱翅片域是兩層Thin網(wǎng)格,共計(jì)267萬(wàn)。
圖2 某插電式鋰離子電池包熱管理系統(tǒng)體網(wǎng)格劃分
1.2 數(shù)值計(jì)算模型及算法
由于該鋰離子電池包內(nèi)冷卻空氣的流速不高,可以簡(jiǎn)化為不可壓流體進(jìn)行模擬計(jì)算,除了描述流動(dòng)特性的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和k-ε方程外,還包括一個(gè)能量平衡方程。在三維笛卡爾坐標(biāo)系中,以張量形式表示的湍流對(duì)流換熱控制微分方程如下:
連續(xù)方程:
動(dòng)量方程:
能量方程:
湍動(dòng)能方程:
湍動(dòng)能耗散率方程:
1.3 邊界條件及計(jì)算策略
入口邊界設(shè)置為速度進(jìn)口,出口邊界設(shè)置為壓力出口,其他地方設(shè)置為壁面邊界條件。計(jì)算工況為初始溫度30℃,1100秒最高車(chē)速純電動(dòng)工況,在純電動(dòng)工況結(jié)束后繼續(xù)混動(dòng)工況,直至電池溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)。為了快速得到求解的結(jié)果,先用穩(wěn)態(tài)模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解,待穩(wěn)定后重新選取非穩(wěn)態(tài)模型對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行求解。
2 計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化分析
2.1 流場(chǎng)分析結(jié)果對(duì)比
為了匹配風(fēng)機(jī),對(duì)原始模型進(jìn)行了如表1.所示的6組流場(chǎng)分析計(jì)算,最后得到一條流量一壓損的擬合曲線,通過(guò)風(fēng)機(jī)的P-Q曲線找到工作點(diǎn),最終確定熱管理系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)流量為300m3/h。
表1 不同進(jìn)口流量下對(duì)應(yīng)的熱管理系統(tǒng)總壓壓損
將進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速設(shè)定為7.26m/s,對(duì)原始模型進(jìn)行溫度場(chǎng)分析,發(fā)現(xiàn)該鋰離子動(dòng)力電池在1100s最高車(chē)速純電動(dòng)工況下的最高溫度在鋰離子動(dòng)力電池的最佳使用范圍以內(nèi),滿足要求,模組之間的溫差也在合理范圍之內(nèi),滿足該動(dòng)力電池系統(tǒng)的溫差要求。純電動(dòng)工況后進(jìn)行混動(dòng)工況的計(jì)算直至穩(wěn)態(tài),發(fā)現(xiàn)其最高溫度和模組之間的溫差都超過(guò)了該鋰離子動(dòng)力電池的最佳使用范圍,會(huì)影響整個(gè)電池包的使用效率、壽命、甚至安全。通過(guò)與產(chǎn)品工程師充分溝通,結(jié)合工程實(shí)際提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案,并對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行了相同工況下的模擬計(jì)算,結(jié)果對(duì)比如下:
該鋰離子電池包熱管理系統(tǒng)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)和空冷方式,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)直接影響動(dòng)力電池的溫度場(chǎng)分布,圖3為優(yōu)化前后該鋰離子動(dòng)力電池包模型的流線圖。
圖3 優(yōu)化前后流線圖對(duì)比
優(yōu)化后,各個(gè)電池模組間的流場(chǎng)分布更加均勻,使流過(guò)的空氣流速也更加的平均。流經(jīng)兩面翅片的空氣量也相應(yīng)增加,最終的電池模組間的溫度會(huì)更加均衡。
2.2 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比
圖4為優(yōu)化前后鋰離子動(dòng)力電池溫度分布云圖。比較兩圖,優(yōu)化前,右排電池模組由于冷卻風(fēng)量不足,特別是右排前兩個(gè)模組,為整個(gè)鋰離子電池包的最高溫度處,約為60.5℃,不滿足鋰離子動(dòng)力電池的最佳溫度使用范圍;優(yōu)化后的最高溫度下降明顯,降到了鋰離子動(dòng)力電池的最佳溫度使用范圍內(nèi)。而最低溫度幾乎沒(méi)有變化,均勻性顯著提高。
圖4 優(yōu)化前動(dòng)力電池溫度分布云圖
3 結(jié)論
應(yīng)用STAR-CCM+計(jì)算流體軟件能很好地模擬該插電式混合動(dòng)力車(chē)用鋰離子電池包的熱管理系統(tǒng)在強(qiáng)制風(fēng)冷下的流動(dòng)狀況和換熱情況,對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)而言的定量分析具有很好的指導(dǎo)意義。本文使用了STAR-CCM+計(jì)算流體軟件的包面功能,極大的縮短了劃分域和網(wǎng)格生成的時(shí)間,相應(yīng)縮短了計(jì)算周期;同時(shí),由于散熱翅片裸露在空氣中的面積很小并且其厚度極薄,無(wú)法直接包面得到,采用了STAR-CCM+計(jì)算流體軟件中的Intersect Faces功能,極為方便的解決了實(shí)際中建模的困難,為優(yōu)化動(dòng)力電池?zé)峁芾頇C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了很大的方便,進(jìn)一步體現(xiàn)出CFD分析方法的優(yōu)勢(shì)。
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