基于ANSYS Icepak軟件的風冷電池箱散熱仿真分析

李華偉，于晨晨

（中國礦業(yè)大學，北京 100083）

1 引言

動力電池是電動汽車的關鍵部件，如果電池長期處于惡劣的熱環(huán)境中將降低電池使用性能，縮短電池的壽命。隨著電池箱向高功率和小型化的方向發(fā)展，其本身帶來的工作穩(wěn)定性和長期可靠性等問題成為電池箱熱設計和熱管理的關鍵點。許多學者對電池箱和電池組的熱設計進行了研究，韓治成等對電池箱引流板的結構進行優(yōu)化設計，在多種進口風速工況下進行熱仿真，得到了機箱較好的散熱條件。吳宏等分析了幾種典型電池箱的散熱環(huán)境，得到溫度場分布較合理的通風冷卻結構。費朝輝等研究了對電池箱溫度場影響的較大的幾個因素，得出了放電倍率、流量和風道結構等對溫度場的影響。姬芬竹等應用Fluent軟件分析了單體電池生熱和散熱的特性以及電池箱出風口的位置對電池溫度變化的影響。

某型號電池箱內部電子元器件布置密集，發(fā)熱量大，對工作環(huán)境溫度要求嚴格，為及時將功耗部件產(chǎn)生的熱量排出機箱，確保電子元器件在規(guī)定的溫度下正常工作，該電池箱采用強迫風冷的冷卻方式。當自然對流滿足不了大功耗設備的散熱要求時，可采用增加外部動力源來達到冷卻機箱的目的。

根據(jù)本電池箱熱流密度的特點以及內部核心部件電池單體對熱環(huán)境的要求，選擇風機抽風冷卻機箱內部的元器件。熱仿真技術是進行熱設計不可缺少的一步，本文采用專業(yè)的電子設備熱分析軟件ANSYS Icepak對電池箱進行詳細的建模和模擬分析，驗證了設計方案的可靠性，為該機箱的散熱性能的改進提供了參考。

2 電池箱的結構

去掉上蓋的電池箱體的結構如圖1所示，機箱由上箱蓋和下箱體、電池模塊、托架，加強筋板及離心風機等組成，箱體外壁采用薄鋼板，內壁上安裝加強筋，內部并列放置8組電池包，3個電池包構成一組，每組電池模塊的功耗為51W，工作環(huán)境溫度為-25～45℃，電子器件工作溫度為-35～65℃，機箱頂部的開孔為離心風機吸風口，底部開設進風口，機箱的外形尺寸為1388mm×296mm×332mm ，電池包的外形尺寸為130mm×83mm×292mm。

圖1 機箱結構示意圖

如圖1(a)、(b)所示，機箱左側離心風扇處為吸風口，右側圓孔為進風口。加強筋板位于電池箱內部，前后對稱布置，提供8組電池包的安裝接口，并起到結構強化的作用，由鋁合金材料制造，其強度和剛度滿足設計要求。圖1(c)為單個電池包的結構形式，單個電池包采用ABS塑料包覆裝配，設置有電氣接口和安裝緊固接口。

3 機箱熱設計分析

為全面準確了解機箱強迫風冷的散熱效果，本文在13種不同的工況下對機箱進行熱仿真分析。由于機箱較封閉，電子元器件密度大，內部的自然對流和輻射換熱不考慮，經(jīng)計算機箱的總功耗為Q=408W，故機箱的表面熱流密度為=Q/A=0.022W/cm2，內部器件允許的溫升為20℃。電池單體是各向異性導熱源，對電池箱體進行熱仿真時需確定電池單體單位體積熱生成率，電池的比熱，各向異性導熱率等，應用熱阻的串并聯(lián)特性推導了電池在各個方向上的導熱率，此處的導熱率由生產(chǎn)商提供。冷卻風量須根據(jù)設計狀態(tài)確定。需要多大的風量來冷卻工作狀態(tài)電池陣列，以保證電池陣列在合理的溫度范圍內工作。由以上分析，結合熱流密度和冷卻方式的對照曲線圖選擇冷卻的方式。該熱流密度值大于自然冷卻的最高溫度的要求，符合強迫風冷的設計要求。設計風速定為9.2m/s，不同工況下的散熱分析方案如表1。

表1 不同工況散熱分析方案

4 機箱熱仿真分析

4.1 建立求解模型

采用ANSYS幾何前處理工具Design Modeler進行前處理和分析模型轉化。建立機箱的模型時，對熱分析影響不大的細節(jié)簡化處理，比如圓角、安裝孔和螺紋等局部可不考慮。為準確反映機箱內部各部件的散熱情況，盡可能保留機箱內的部件。機箱體包括側蓋、頂蓋、進出風口、電氣接口等，模型處理時保留進出風口；電氣接口由于工作時是封閉的，簡化時消除；側蓋和頂蓋在ICEPAK軟件里面建立，處理成一個完整的六面體箱體。由于機箱為對稱結構，利用ICEPAK中的創(chuàng)建組和復制功能實現(xiàn)快速建模。對單個電池包的處理原則是最大限度保留影響電池散熱的特征，對ABS塑料殼體保留周邊圓孔特征，對緊固接口等散熱影響小的特征進行處理，保留主要的冷卻氣流通路特征。對加強筋的處理原則是保留影響空氣流通的主要特征，對緊固件及工藝特征進行簡化處理，保留加強筋的大部分特征。

參數(shù)的設計主要包括機箱外側壁的自然對流、各個分析對象的功耗、材料、風機吸風口的風速、環(huán)境溫度和壓力等設置。

在網(wǎng)格劃分時采用非結構化的六面體網(wǎng)格（Hexa unstructured mesh）以提高網(wǎng)格的精度，采用Normal方式細化網(wǎng)格，各電池模塊分別設為Assemly并設置合適的Slak值，進行局部網(wǎng)格細化。對不同的Assemly分別劃分網(wǎng)格，從而提高分析的準確性。網(wǎng)格劃分的總單元數(shù)量為7465514，節(jié)點數(shù)量為8534096，質量檢查 的 結 果 為 Face alignment＞0.299，Quality＞0.257，2.34e-11＞Volume＞7.69e-7 ，Skewness＞0.214。

進行求解計算前，在ICEPAK的基本設置對話框中通過Reset對reynolds和peclet兩個參數(shù)進行評價，選擇推薦的湍流模型。設置收斂的標準，F(xiàn)low項設為1e-3，Energy項設為1e-7，迭代持次數(shù)為200，其它設置保持默認。在機箱的進風口設置壓力和速度監(jiān)測點，在吸風口設置溫度監(jiān)測點。在穩(wěn)態(tài)條件下通過求解流場的連續(xù)方程，紊流動能方程和損耗方程獲得各點的壓力和溫度等數(shù)據(jù)。后處理階段應用ICEPAK中的Object face和Plane cut模塊可實現(xiàn)對溫度場和流場分布情況的查看。

4.2 分析結果

計算分析收斂的判斷從兩個方面來確定，一是以收斂殘差必須達到設定值并且收斂趨勢好，二是通過監(jiān)測點來監(jiān)測計算是否達到物理收斂。

圖2 計算分析檢測圖

機箱內部溫度分布合理和元器件的溫度滿足要求是衡量熱設計成功的指標之一。通過仿真分析獲得了13種工況下機箱內部和主要元器件的溫度分布規(guī)律。鑒于篇幅此處僅列舉環(huán)境溫度為25℃工況下的溫度分布情況，其它工況下的溫度分布均相似。

圖3 溫度分布示意圖

由圖3(a)可知，機箱表面的溫度從進風口到出風口逐漸升高，在進口處溫度較低，最低溫度為25℃，在出口處溫度較高，最高溫度為32.7℃。由于對流和熱傳導使熱量在該區(qū)域的加速聚集，為改善機箱表面的散熱效果可在該處增加散熱孔或采用換熱性能較好的材料，以增強自然對流的能力。圖3(b)顯示電池箱體內部的溫度主要集中在電池發(fā)熱源處，在該截面中心最高溫度值均超過40℃，但遠小于規(guī)定的最高工作溫度。電池箱體最高溫度為43.59℃，最高溫度點在中間一排電池內部中心，最低溫度為25.08℃，接近外界空氣溫度，處于氣流入口ABS外殼。

圖4 電池溫度分布圖

圖4 所示為電池陣列及電池單體陣列溫度云圖，可知24個電池包溫度值跨度較大，分布不均，進氣端溫度較低，出氣口端溫度高，這是串行通風的普遍現(xiàn)象。同時，中心一排溫度相對兩側要高。對于單個電池包，兩側電池單體溫差較小，基本保持在2～3℃溫度范圍,越往中心溫差越大。

機箱內部氣流流動均勻穩(wěn)定是風道設計合理的重要體現(xiàn)。圖5顯示的是環(huán)境溫度為25℃工況下的機箱內部氣流的流動情況，其它工況下的氣流分布均相似。從軌跡線分析來看，空氣可以在電池陣列四周通過，由于進出口非對稱性布置，空氣流動形態(tài)也是非對稱性的，圖中顯示進出口的速度最大，進口風速最大為18.9m/s，機箱內部的氣流流動順暢，無回流現(xiàn)象。

機箱內部的溫度主要來自電池模塊的發(fā)熱，在環(huán)境溫度為25℃時其溫度分布分別如下。

如上圖6所示，各電池模塊的最高溫度均集中在中心部位，趨向于出風口的模塊溫度較高，溫度均超過40℃，其中溫度最高的為模塊2，達到43.5℃；在進風口處的模塊溫度較低，模塊3和模塊4均低于40℃。

隨著環(huán)境溫度的下降，箱體、電池模塊和出風口的溫度均下降，在工況1時，各模塊的最低溫度高于-20℃，遠高于器件最低溫度要求。最低溫度出現(xiàn)在機箱表面為-20℃。隨著環(huán)境溫度的升高，各部分的溫度均提高，其中在環(huán)境溫度為40℃時，模塊1～8的最高溫度均未超過60℃，最高溫度為57.77℃，接近規(guī)定值。因此應采取降低環(huán)境溫度的措施，如安裝室內空調或者提高風速、增加進氣排熱的開口面積等。

圖5 機箱內部速度跡線圖

圖6 部分電池模塊溫度云圖

5 結語

通過ANSYS ICEPAK軟件對風冷電池箱進行熱仿真，得到了機箱內外部的溫度分布和流場流動的數(shù)據(jù)，結合熱設計理論評估該方案設計的合理性，在環(huán)境溫度為-20℃時，機箱內的最低溫度遠高于最低要求溫度，在環(huán)境溫度為40℃時，各電池模塊的溫度均未超出最高要求溫度。對溫度分布不均及過高的現(xiàn)象給出機箱改進辦法，在強迫風冷的條件下，風速設置為9.2m/s，能滿足各設計工況下的散熱要求。同時內部流場分布均勻，風道的設計合理。該分析為機箱的散熱改進和同類產(chǎn)品的仿真分析提供了數(shù)據(jù)和參考。