PHEV电动汽车电池包的热管理研究.doc

PHEV电动汽车电池包的热管理研究摘要：本文应用流体热分析软件FLOEFD，在前期对8Ah单体电池在不同充放电倍率下的热特性研究的基础上，对PHEV系统在自然冷却及强制风冷散热条件情况下的热流场特性进行了研究，分析了不同倍率充放电时系统的散热效果，并对风道结构进行了优化。仿真和实验结果表明：自然冷却时系统温度较高，为42.7；在不同倍率风冷时，系统最高温度也不同，但在大倍率充放电时产生的热量明显高于小倍率时，对电池的寿命有着极其不利的影响。风道结构优化后的结果显示：优化后的散热效果明显优于优化前。关键词：电动汽车 热管理 热特性 仿真1 引言环境问题和能源危机已促使汽车行业发展清洁、高效和可持续的城市交通车辆，国家亦把新能源汽车列为现阶段重点发展的七大产业之一，并在财税金融等政策上给与了大力支持。而电池组的热管理系统是研究与开发现代电动汽车的关键，同时是提高整车性能的重要手段。电池包只能在一定的温度范围内才能达到较佳的性能和寿命。系统内空气流场的分布对电池组温度场分布有较大的影响，但由于电池包系统的复杂化和大型化，实验成本增加，开发有效的计算流体力学方法用于电池包的设计、分析和优化，具有重要的意义。本文通过对系统温度场分布的测试与仿真，考察PHEV-B项目电池组系统在室温下，1C（自然冷却、风冷）、2C、3C工况下，系统的散热性能，并对原有风道进行优化。2 数学模型2.1基本守恒方程在自然科学的范畴内，广泛存在着三大基本守恒方程：质量、动量和能量的守恒方程，计算流体力学也不例外。模拟过程中的质量守恒方程如下： (2-1)在惯性坐标系中i方向上的动量守恒方程为： (2-2)能量守恒方程： (2-3)以上各式中， Cp为定压比热，gi为i方向上的重力加速度分量，keff为导热系数，t为时间，p为压力，Sh包括了化学反应热以及用户定义的其它体积热源项，T为平均温度，和分别表示平均速度和脉动速度，为动力粘度系数，为密度。2.2湍流模型由于雷诺平均过程中引入了被称为紊流应力或雷诺应力的未知关联量，所以说，上述基本守恒方程并没有构成封闭方程组。常用的紊流模型有：雷诺应力模型、紊流粘性系数模型、亚网格尺寸模型、速度概率密度函数输运方程模型。- 双方程模型的通用性较好，适用于大多数紊流场，但是强旋气流除外。本文即采用该模型。3 试验对象3.1 几何模型 本文以PHEV-B项目的电池包模型为研究对象，2并108串，共216颗单体电池，在出口处有两个排风扇，其几何模型如下图1所示。图1 PHEV-B电池包几何模型3.2 计算网格 本文仿真选取的计算区域即为整体模型，由于计算模型是三维的，考虑到计算精度和计算量的问题，经多次调试和比较计算结果，并且对电池间隙处进行了局部加密，确定最终的网格如图2所示。 图2 计算网格图4 试验设备与内容4.1 测试设备测试实验进行用到的设备如表1所示：表1 设备类型测试设备BTS-600 电池测试系统CANalyzer计算机 图3 测试设备图4.2测试内容 根据客户要求，并参照测试标准，本文实验的测试内容如下（以1C无风冷内容为例）：a) 电池组系统采用1C恒流充电至有单体电压至3.65V或总压至394.2V时，转恒流降流（14A、12A、10A、8A、5A、3A、1.6A）充电，以每个电流恒流充电至有单体电压至3.65V时降至下一个较低电流；b) 电池组系统以1C恒流放电至90%SOC；c) 静置12h；d) 取消风扇控制电源；e) 在常温下，电池组系统以1C恒流放电至40%SOC；f) 电池组系统以1C恒流充电至75%SOC；g) 重复步骤e）和f），直至试验持续时间达到8h。试验过程中记录各温度监测点的温度变化情况。5 结果与讨论5.1 1C自然冷却结果 图4是温度随充放电时间的变化曲线，其中（a）是测试结果，（b）是仿真结果。1C自然冷却情况下，测试结果显示：系统内最高温度为42.7 ，仿真结果显示：系统内最高温度为46，仿真结果高于实验结果。这是由于因为仿真过程中系统壳体的密封效果比实际情况好，不会存在漏风等状况，且仿真时给定的单体电池的发热功率是绝热状态下的数值，比实际情况略大，故发热量较大，所以出现温度高于实测的结果。但是，该结果在一定的误差范围内。图5是电池包内温度分布，其中（a）是测试结果，（b）是仿真结果。仿真结果显示：图中红色区域为温度较高的地方，即高温区域出现在系统中部，靠近风扇部位的模块温度较低，而实际测试结果也显示高温区域在系统中部，二者结果吻合良好。（a）测试结果 （b）仿真结果 图4 温度随充放电时间的变化曲线 （a）测试结果 （b）仿真结果图5 电池包内温度分布5.2 1C风冷结果图6是温度随充放电时间的变化曲线，其中（a）是测试结果，（b）是仿真结果。1C风冷情况下，测试结果显示：系统内最高温度为39.5 ，仿真结果显示：系统内最高温度为35.4 ，仿真结果低于实验结果。这是由于在仿真过程中，风扇的设置只能是风扇一直开启或者关闭，而实际测试中，风扇是在系统温度超过三十度时，方才开启，从而仿真结果会偏低。图7是电池包内温度分布，其中（a）是测试结果，（b）是仿真结果。仿真结果显示：图中红色区域为温度较高的地方，高温区域明显小于自然冷却情况，这说明风扇一定程度上起到了冷却效果。图中可以看出：进风口处的电池模块以及两侧处的电池模块温度较低，这是由于空气从进口处进入，温度较低，可以带走较多的热量，所以在靠近入口处的电池模块温升较小，系统边缘处存在较大缝隙，流体容易通过带走热量，所以在该处温度也较低；整个系统看，电池间间隙较小，流体很少从电池间经过，热量不易被带出，所以中间部位电池模块温度较高。而实际测试结果也显示高温区域在系统中部，二者结果是一致的。（a）测试结果 （b）仿真结果图6是温度随充放电时间的变化曲线 （a）测试结果 （b）仿真结果图7 电池包内温度分布图8是电池包内流场分布，从图中可以看出，冷却风从电池间隙间流过很少，多数是从侧壁和上部流过，所以在电池包中间部位温度出现较高区域。但是从温度分布图可以看出，风扇还是起到一定的作用，但是受限于结构间的缝隙，冷却效果不是太理想。图8 电池包内流场分布5.3 2C风冷结果图9是温度随充放电时间的变化曲线，其中（a）是测试结果，（b）是仿真结果。2C风冷情况下，实际测试时设定是单体温度温度超过30时，风扇开启；单体温度超过55时，系统报警，结束测试，所以系统最终的最高温度为55，此时用时301min左右。仿真同样设定温度达到55时，结束仿真，而达到最高温度55对应的仿真时间为330min，大于实验时间。这是由于在仿真过程中，风扇是一直开启造成的。图10是电池包内温度分布，其中（a）是测试结果，（b）是仿真结果。温度分布图中显示的高温区域较1C有明显增大趋势，实验和仿真结果都验证了这一点。 （a）测试结果 （b）仿真结果图9 温度随充放电时间的变化曲线 （a）测试结果 （b）仿真结果图10 电池包内温度分布模块两侧由于布置线路，存在较大的缝隙，空气会从此处流过，从而经过电池缝隙间的风量就会减少，热量就不容易带出，所以散热效果就不好。所以，通过添加填充物把两侧多余的缝隙堵塞住，这样进去的空气被迫从电池间隙流过，从而带走更多的热量，模块温度降低。测试结果表明：优化前，电池组系统内部最高温度达到55.0时，最大温升为31.8；优化后，最大温升为27.3。可以看出优化后，系统温升明显降低。5.4 3C风冷结果图11是温度随充放电时间的变化曲线，其中（a）是测试结果，（b）是仿真结果。图12是电池包内温度分布，其中（a）是测试结果，（b）是仿真结果。整体上和2C风冷结果较为相似，从图12中可以看出高温区域较2C更大，这是由于大倍率充放电发热功率较大引起的。 大倍率的充放电会造成较糟糕的电池工作环境，电池寿命会有较大的影响，所以应较少采取这种倍率充放电。 （a）测试结果 （b）仿真结果图11是温度随充放电时间的变化曲线 （a）测试结果 （b）仿真结果图12 电池包内温度分布6 结论(1) 1C自然冷却情况下，系统内最高温度为46（42.7 ），仿真结果高于实验结果。风冷情况下最高温度为35.4 （39.5 ），仿真结果低于实验结果。(2) 2C、3C有风冷情况下最高温度为55 （55 ），达到最高温度的时间上，仿真结果大于实验结果。(3) 风道优化后电池系统内整体温度下降4.5，效果较好。参考文献1 Iqbql Husain.Electric and Hybird Vehicles:Design Fundamentals,Second edition .CRC,2011.