一種重度混合動力轎車動力電池冷卻系統設計

夏順禮，宋軍，趙久志，張寶鑫，陽斌（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心 新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

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一種重度混合動力轎車動力電池冷卻系統設計

夏順禮，宋軍，趙久志，張寶鑫，陽斌
（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心 新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

動力電池熱管理系統對重度混合動力轎車在各種環境下行駛的動力性有至關重要的影響。本文提出了一種重度混合動力轎車冷卻系統設計方案，利用一維熱流體系統仿真、三維計算流體動力學數值計算建立整個電池包模型，通過數值分析獲取電池包內速度、壓力、風量及溫度等關鍵參數分布，對比了底部進風與側部進風兩組方案的冷卻效果，優化了冷卻系統設計方案，并進行了試驗測試驗證分析。結果表明，該冷卻系統設計方案能夠滿足該重度混合動力轎車的行駛要求，能夠有效保證動力電池工作處在最優溫度范圍內，同時動力電池的溫差控制在最佳范圍內。

重度混合動力；電池包；冷卻；數值模擬

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.007

CLC NO.: U469.7Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)08-18-05

前言

動力電池作為新能源電動汽車的動力來源，在提高整車性能和降低成本方面起到至關重要的作用，其溫度特性直接影響到純電動汽車的性能、壽命和耐久性[1-4]。目前在電池容量受到限制情況下，電池成組技術水平對電池系統發展起到至關重要的作用，而電池熱管理系統作為電池成組技術的重要核心技術之一，對提高電池一致性以及保證整車安全性有至關重要的作用。在夏季，混合動力汽車運行過程中，對電池的充放電會伴隨著大量熱量的產生，如不及時進行散熱，電池包內部溫度會急劇上升，若風道設計不合理會進一步導致溫差不斷加大，加劇電池內阻與容量的不一致性，甚至導致熱失控，存在很大安全隱患。

設計性能良好的電池組熱管理系統，要采用系統化的設計方法。很多研究文獻都介紹了各自設計的熱管理方法，因此，在儲能系統電池組應用中，還需要對電池組進行熱管理系統設計[5]。

但真實的熱管理系統是極其復雜的，物理實驗不僅受到模型大小、流場擾動、測試人員安全和準確度的限制，而且成本高、周期長。CFD仿真可預先研究、條件限制少、信息豐富、成本低、周期短[6]。

本文提出一種重度混合動力轎車冷卻系統方案，利用抽取乘員艙內空調風對電池包進行主動散熱。利用CFD仿真對所設計兩種方案進行數值模擬，最終確定較優方案，通過試驗驗證進一步說明 CFD技術應用于新能源電動車電池包熱管理方案設計是可行的。

1、電池包冷卻系統設計

某重度混合動力轎車電池包內部設計有4個模組，每個模組分別由17個6Ah電池單體串聯而成，模組通過螺栓固定在電池包下殼體，模組內部設計有隔板。整車冷卻系統設計成強制風冷，內部冷卻通道設計成并聯式。

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[7-10]。

風機將乘員倉內空調風抽取到電池包內部，冷卻系統示意圖如下圖2所示，電池包模組內部設計有隔板，通過進入隔板內部空氣與電池單體熱量交換，實現對電池單體的冷卻及加熱，電池包內部空氣流動如下圖3所示。

根據整車需求，提出電池包熱管理系統性能目標，如下表一所示。

表1　熱管理系統性能目標

結合電池包在整車布置方案的不同，提出兩種進風思路，第一種在電池包下殼體處設計風道即底部進風方式，該方案底部空間較大，風道管路設計靈活，裝配簡單方便，但垂直方向占用空間大；第二種在電池包兩側進風，該方案結構緊湊，但空間受限，拆卸與裝配可能存在困難。利用CFD數值模擬方法，分析兩種方案在熱管理性能方面不同，從而得到最優方案。

2、CFD流體數學模型

連續性方程：

式中：ρ為流體密度；uj為流體速度沿i方向的分量；t為時間。

動量方程：

式中：P為靜壓力；τij為應力矢量；ρgi為i方向的重力分量；Fi為由于阻力和能源而引起的其他能源項。

能量方程：

式中：h為熵；k為分子傳導率；kt為由于湍流傳遞而引起的傳導率；Sh為定義的體積源。

3、邊界條件設定

電池包內部設計有4個模組，每個模組分別由17個6Ah電池單體串聯而成，放電倍率為 4C，單體電池發熱功率為3.52W，電池包外殼材料為SPCC（冷軋碳素薄鋼板），模組之間設計塑料風道隔板，隔板材料為PC（非晶體工程材料），風道材料為PC，根據所選風扇輸入其P-Q曲線。

高溫冷卻工況，即環境溫度為 40 ℃，入口初始溫度為25℃，入口為壓力邊界，出口條件為體積流量。

表2　電池包具體參數

4、兩種冷卻方案仿真結果分析

三維仿真軟件主要用來計算穩態工況下模組壓降、速度及風量分配，利用仿真分析結果指導模組設計；利用一維軟件計算電池包壓降、速度及風量，仿真工況與實際工況更加接近，更具指導意義。

利用 Star-ccm+軟件進行三維自建模及復雜模型導入兩種方式建立冷卻系統模型，部件主要為風道及電池單體，根據建立的集合模型，使用六面體網格，劃出高質量的網格。

圖4電池包采用側部進風方式，布置緊湊，但空間受限導致風道管路設計存在由于局部突變，壓降增大；圖5采用底部進風方式，垂直空間占用空間較大，但橫向尺寸更為靈活，可以有效降低壓降。

4.1電池包側部進風仿真分析

4.1.1電池模組出風口面積為800mm2

通過仿真分析，得出模組出風口面積為 800mm2，電池模組進出口位置如圖6所示、壓降分布如圖7所示，壓降為56.4Pa。

4.1.2電池模組出風口面積為1000mm2

通過仿真分析，得出模組出風口面積為1000mm2，電池包內部速度分布如圖8、壓降分布如圖9所示，壓降為57Pa。

4.1.3方案對比

最初方案即電池模組出風口面積為 1000mm2改進后方案即電池模組出風口面積為1000mm2，通過以上分析，得出模組內部壓降基本相同；從圖10與圖11可以看出，模組內部風量及風量偏移量存在較大變化，去除風道1與風道17后，改進后方案明顯優于最初方案，故側部進風選用電池模組出風口面積為1000mm2；模組兩端即風道1與風道17風量明顯偏小，方案需求進一步優化。

4.2電池包底部進風仿真分析

利用仿真分析軟件，建立冷卻系統模型，完成底部進風方案，跡線如圖12所示；壓降為234.5Pa，如圖13所示；模組間風量整體較為平均，相比較側部進風有明顯改善；如圖14所示；同一截面溫差控制在5℃以內，如圖15所示，因此熱管理冷卻系統采用底部進風方式。

5、電池包一維仿真分析

利用Flowmaster軟件，采用整車滿載工況，由于整車實際工作過程中，電池包發熱量不是恒定的，瞬態工況如圖16所示，利用放電電流與時間對應關系，得出電池單體實際工況發熱量；輸入風扇P-Q曲線及其控制策略，風扇在不同工況下對應占空比亦不相同，如圖17；建立電池包一維仿真分析模型如圖18；得出高溫條件下電池冷卻仿真分析結果如圖19所示，仿真結果表明電池包模組間溫差控制在1℃以內，最高溫度≤45℃。

表3　40℃ 電池模組溫差

6、高溫冷卻試驗

電池包工況為整車滿載工況，環境溫度為 40 ℃，入口初始溫度為 25℃，輸入風機P-Q曲線及控制策略。

通過高溫冷卻試驗，電池包溫度變化趨勢基本上與一維仿真分析結果相同，溫差為 3℃，電池最高溫度＜45℃，滿足設計要求。

7、結論

（1）利用一維仿真分析軟件能夠將控制策略融入其中，更加接近真實工況。

（2）利用三維仿真分析軟件與一維仿真分析軟件有效結合進行熱管理仿真分析，能夠反映電池包溫度分布趨勢，說明將 CFD技術應用于新能源電動車電池包熱管理方案設計是可行的。

（3）某重度混合動力轎車可有效在高溫環境下對電池包進行冷卻，避免熱失控現象的出現。

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A Hybrid CarBattery ThermalManagement of Cooling System Design

Xia Shunli,Song Jun,Zhao Jiuzhi,Zhang Baoxin,Yang Bin
(New energy vehicle academy,Technical Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd,HefeiAnhui 230601)

Influence of power battery thermal management system is crucial for the power of new energy vehicles in various environmental conditions.This paper describes the cooling system design of hybrid vehicles,CFD simulation software is used to build the entire battery pack simulation model.Using CFD simulation software establish the battery pack simulation model ,Through this method,the key parameters such as the pressure of the battery pack and the air quantity distribution are obtained,guiding the cooling system design.Two simulation results indicate bottom inlet cooling effect of the thermal management scheme is better than the side,and the cooling system can ensure the stability of the battery under high temperature operating environment,to prevent thermal runaway phenomenon.

hybrid; battery; cooling; numerical simulation

U469.7

A

1671-7988（2016）08-18-05

夏順禮（1972-），男，副高級工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心 新能源汽車研究院。