電動車動力電源的熱特性分析和結構設計

文 /袁婕 陳偉 徐曉明

一、前言

發展節能與新能源汽車是我國汽車產業發展的重要戰略，也是實現交通節能減排的重要舉措。隨著國家不斷出臺促進新能源汽車發展的優惠政策，國內主要汽車企業都開展了新能源汽車的研究開發和制造，重點發展混合動力客車且已經在國內多個城市運行。

混合動力客車作為交通工具，其安全性能也成為大眾關心的熱點問題。動力電源系統是混合動力客車的核心部件，動力電池在使用過程中會發生化學反應，進而產生一定熱量，若熱量過于聚集，則可能會引起爆炸和燃燒。因此對動力電源系統的散熱性能進行分析具有重大的研究意義。

二、研究思路

文章主要是針對某種電源系統的散熱性能進行有限元仿真分析，研究其在不同風量下的流場及溫度場分布情況，并通過合理的結構設計提高動力電源系統的散熱性能，從而進一步提高動力電源系統的安全性能。

1. 電源系統的配置和結構簡介

采用180只42Ah鋰離子電池串聯成一套576V動力電源系統。該動力電源系統采用2個電池包的結構形式，每個電池包有6組15串42Ah鋰離子電池、2只風扇及管理系統組成。6組電池模塊等間距分布，單體電池之間采用絕緣格柵隔開，每只電池單面被絕緣格柵遮擋面積百分比為4×10/130=30%，即格柵寬度方向上遮擋40mm（絕緣格柵寬度為133.5mm）。

圖1 電源系統箱體（a）和電池單體間絕緣格柵（b）的三維圖

2. 物理和熱力學參數

圖2 風扇風壓與流量曲線

表1 試驗實測的電池和引用的數據

表2 鋰離子電池其他材料的熱物性參數

3. 電源系統的網格模型和簡介

空氣從底部的六個圓形進風口進入，分別對應于六個模塊下部，采用并行進風方式，從下部進入，而后從電池間隙由下而上流出，最終被風機帶出系統外部。其進風口如圖3所示：

圖3 電池組系統的進風口

4. 仿真邊界條件

由于低雷諾數的標準的K-ε湍流模型能提供流動的真實情況，尤其適合于計算通道中的湍流流動，計算時采用該模型。

（1）進風口：1.8m3/min；2.0m3/min

（2）出風口：壓力出口

（3）熱源：電芯（發熱量根據提供溫升數據獲得）

（4）環境溫度：25℃

（5）進風口溫度：25℃

5. 動力電源系統的流場和溫度場分析

（1）風量為1.8m3/min時的結果

采用1C充放電循環的試驗條件，其溫度場分布如圖4所示：

系統的最高溫度為：46.1℃，溫升為21.1℃，最大溫差為：7.8℃。圖中可以看出：溫度的分布是呈模塊兩端不均勻分布，這與底部流道的傾斜度是有著直接關聯的，而模塊間的溫度分布的一致性還是較好的，這說明在不同模塊的同一截面溫度差異是較小的。

其流場分布如圖5所示：

圖4 電池組系統溫度場分布

圖5 電池組系統流場分布

流場分布顯示：進風口對應的底部界面，其流速較為一致，但是在空氣沿電池間隙向上的過程中，流速較小，這對帶走電池表面的熱量是不利的，這部分的風道需要繼續優化。

（2）風量為2m3/min時的結果

采用1C充放電循環的試驗條件，其溫度場分布如圖6所示：

圖6 電源系統溫度場分布

系統的最高溫度為：42.2℃，溫升為17.2℃，最大溫差為：7.6℃。該分布圖與流量為1.8m3/min時是相似的，但是高溫區域有所減小。

其流場分布與流量為1.8m3/min時一致。

三、仿真分析結果

表3 不同流量的仿真結果對比

不同風量的結果顯示：增加流量可以降低系統的最高溫度，同時會影響到電池的溫差。另外，在保證系統最高溫度滿足要求的情況下，盡量不要增加額外的動力消耗，對風機的選型也會加大難度。

四、結論和建議

1. 結論

（1）本電源結構的電池散熱能力可以滿足維持在推薦的工作溫度范圍內，即快充時電池的溫升須小于25℃的經驗限制要求。

（2）半仿真電源系統驗證在1C充電放電循環時、無風扇敞開檢測條件下，電池的最高溫度≤45℃，整體溫差D5～D7℃。

2. 建議

（1）調整底部風道的傾斜角度的大小，優化風道；

（2）加大電池間的間隙；

（3）根據散熱量計算系統所需風量合理選用風機