電動卡車風冷電池艙流場分析及優(yōu)化

師占雨等

摘要：本文使用PowerFlow軟件對電動卡車風冷電池艙進行了流場仿真分析，得到原方案設(shè)在主風道內(nèi)部形成了渦流，造成了大量的能量損失，導致風道內(nèi)冷卻氣流流速迅速降低，風道設(shè)計不合理對電池的冷卻效果不佳。根據(jù)仿真流場結(jié)果對風冷電池艙進行了優(yōu)化，得到了風量分配更均勻，且風道內(nèi)能量損失少的優(yōu)化模型。

關(guān)鍵詞：電池艙；風冷；電動卡車

中圖分類號：U463.63 文獻標識碼：A 文童編號：1005-2550（2018）01-0020-04

1引言

新能源純電動汽車具有環(huán)保、能源利用率高、低噪聲、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、經(jīng)久耐用等特點，具有很好的應(yīng)用前景。現(xiàn)今采用的電池多為化學電池，受溫度的變化較敏感，而且電池艙一般較小，電池艙內(nèi)電池緊密的排列在一起，如果電池艙的散熱性能不好，隨著時間的積累，電池艙內(nèi)環(huán)境溫度會顯著增高，容易發(fā)生事故或?qū)е码姵貕勖蟠蠼档汀?/p>

國外學者對車用動力電池的熱管理技術(shù)進行了大量研究，并取得了很多成果，AhmadA.Pesaran在1999年總結(jié)歸納了電池熱管理的一般方法，2008年Rami Sabbah等以鋰離子動力電池為研究對象，對比了風冷和相變制冷兩種散熱方式的優(yōu)缺點；2009年Debashis hosh等、Jarret A等分別運用CFD的方法對電池組的熱性能進行了分析；2012年美國的Giuliano M R，等設(shè)計了一種風冷散熱系統(tǒng)，研究了電池組在該系統(tǒng)下的散熱性能，研究表明：風冷散熱方案是可行的。

由于電池艙的流場的分布對電池組的散熱有極為重大的影響，所以傳熱介質(zhì)的流場設(shè)計是電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題。本文使用PowerFlow仿真軟件，針對電動卡車電池艙進行流場仿真和風道優(yōu)化得到滿足要求的風道結(jié)構(gòu)。

2設(shè)計思路及仿真可行性分析

2.1設(shè)計思路

現(xiàn)階段電動汽車面臨的最大的挑戰(zhàn)就是續(xù)航里程，減少冷卻電池艙的能量消耗對提高車輛的續(xù)航里程有很大的幫助。考慮到進行冷卻時，冷卻氣流流經(jīng)電池后溫度仍較環(huán)境溫度低，如果將冷卻氣流直接排出電池艙，是對能源的浪費，因此本文提出的兩種方案均為內(nèi)循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)。另一方面內(nèi)循環(huán)工況下，冷卻空調(diào)在進行工作時，主動進風和主動出風均會對冷卻氣流進行加速，提高冷卻效果。

2.2可行性分析

電池艙的熱管理仿真計算是一個化學反應(yīng)場、溫度場與流場的耦合問題，由于缺少電池模型及發(fā)熱參數(shù)等，不能進行耦合計算。由于電池艙內(nèi)溫差一般控制在較小范圍之內(nèi)，本文主要關(guān)注的是電池艙風道的設(shè)計，因此可以忽略溫度場對流場的影響，僅考慮流場分析，通過合理的風道設(shè)計使各風道流量分配均勻，且保證各電池表面的風速均勻分布。

2.3算法介紹

格子Boltzmann方法經(jīng)過20年的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)被成功的應(yīng)用到多孔介質(zhì)流、粒子懸浮流、多相流、粘彈流等諸多領(lǐng)域。格子Boltzmann系統(tǒng)的宏觀表象基本滿足N-S本構(gòu)方程，因此可以使用LBM方法代替求解N-S方程。

標準格子Boltzmann方法基于質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒規(guī)律，從離散模型出發(fā)，采用分布函數(shù)來進行求解，數(shù)學表達式如下：

格子Boltzmann模型對所有的非線性效應(yīng)都包含在碰撞項中，并且是以純粹局部信息的方式體現(xiàn)的，這種算法可以很好的發(fā)揮并行計算的長處，故利用這種方法進行非定常流動和大型模型的并行計算具有一定的優(yōu)越性。

上式則表明Boltzmann方程不再服從N-S方程，而N-S方程僅代表Boltzmann方程在Kundsen數(shù)上的子集。

3仿真分析及結(jié)果

3.1有限元模型

本文研究對象為某電動卡車電池艙，使用建模軟件ANSA建立表面單元，使用PowerFlow軟件設(shè)置邊界條件和生成實體計算網(wǎng)格，實體單元數(shù)1728萬，具體模型如下圖1所示：

邊界條件：空調(diào)出氣口流量：0.073 kg/s，由于空調(diào)實際工作時進氣口為主動進氣，因此設(shè)置空調(diào)進氣口流量與出氣口流量相同：0.073 kg/s，空調(diào)進出氣口壓強均為：101325 Pa，空氣密度：1.185kg/m³，環(huán)境溫度25℃。

3.2計算結(jié)果

為觀察空調(diào)排出的冷卻氣流是否能夠均勻的分布到各個電池組，在風道1、風道2、風道3入口處設(shè)置3個切面觀測三個風道的流量，結(jié)果如下表1所示：

說明：流量為單位時間流經(jīng)風道入口橫截面的空氣質(zhì)量，入口風速指風道入口截面的平均風速。

由上表可知：風道2與風道3最大流量差值為：0.005kg/s，入口處平均風速在1.5m/s左右。說明流量分布比較均勻，但是風速較小。

電池艙中面位置流場結(jié)果如下圖2、圖3所示：

由上圖結(jié)果可知：空調(diào)吹出的氣流在主風道內(nèi)速度越來越低，由于主風道橫截面積較空調(diào)出氣口面積相差很大且沒有過渡階段，導致主風道內(nèi)能量損失較嚴重，為此在主風道位置設(shè)置一個切面，觀察流場結(jié)果（如圖4所示）；在風道1、風道2、風道3內(nèi)風速較小，且離風道入口較近的位置大部分氣流沿著風道向前流，很少往上吹到電池組縫隙里，可能會使不同位置電池組散熱性能不同，導致不同電池組在工作狀態(tài)下溫度分布不均勻，對電池的使用壽命和效率造成很大的破壞。

由上圖可知在圖示切面處，在主風道兩側(cè)形成了渦流，造成了大量的能量損失，從而導致在拐角處電池艙中面氣流風速僅為1.5m/s左右。

4優(yōu)化方案及結(jié)果

基于方案一的分析結(jié)果，為了避免在風道產(chǎn)生渦流，造成能量損失，將水平主風道做成燕尾型，并減少主風道的橫截面積，水平主風道與豎直主風道連接處做成圓弧過渡；為了使風道1、風道2、風道3三個風道流量分布更均勻，將豎直主風道的外側(cè)傾斜一定角度；為保證各個電池組表面風量分配均勻，將風道1、風道2、風道3下表面做一定的斜度，通過改變下表面傾斜的角度調(diào)整各電池組的風量分配，優(yōu)化結(jié)構(gòu)如下圖5所示：

在風道1、風道2、風道3三個風道的流量，結(jié)果如下表2所示：

由上表結(jié)果可知：方案二各風道的風量分配較方案1更均勻，且入口平均風速均在2m/s以上。

由上圖結(jié)果可知：優(yōu)化后主風道內(nèi)風速變化較小，風道1、風道2、風道3采用變截面設(shè)計內(nèi)部風速分布均勻且均在1m/s到2m/s之間，電池縫隙內(nèi)風速分布也較均勻。

說明：上表中第1列電池組指距離空調(diào)最近那列電池組，即上圖中左側(cè)第一列，第2列指距離空調(diào)第二近的那列電池，以此類推后面的幾列電池組）。

由上表3可知：主風道內(nèi)氣流流速減小較方案一小，能量損失較小；各電池表面平均風速均在1m/s左右，且分布均勻。

5結(jié)論

本文利用PowerFlow軟件對卡車電池包進行流場分析及優(yōu)化。首先對初始方案進行了分析，發(fā)現(xiàn)主風道能量損失較大，各電池組風量分配不夠均勻且風速較小，然后根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行分析，優(yōu)化后電池的冷卻性能得到了較大幅度的提高。本文為了提高計算效率，對電池縫隙進行了簡化處理，可能會對結(jié)果產(chǎn)生影響，需進一步通過試驗驗證。