電動客車高壓箱熱仿真分析與試驗驗證

王慧敏， 黃 河， 劉 正， 劉進程， 婁 崗

(1.中車時代電動汽車股份有限公司， 湖南 株洲 412007； 2. 長沙中車智馭新能源科技有限公司， 長沙 410000； 3.長沙開元儀器有限公司， 長沙 410100)

電動客車作為重要的公共運載工具，其安全性和可靠性尤為重要，而動力電池系統中的高壓箱熱性能直接制約著電動客車的使用。本文以純電動客車動力電池系統中的高壓箱為對象，對其熱性能進行研究。建立CFD數學模型，模擬溫度場分布，指導設計優化，在此基礎上進行溫升試驗，驗證仿真結果的準確性。

1 高壓箱構成及其熱特性

1.1 高壓箱功能及構成

高壓箱，即動力分配單元，英文簡稱PDU，是多電池包電池系統動力回路中的重要組成部分。通過控制各配電回路的電流通斷，分配電能的使用；并可實時監測和采集各回路電流、電壓、溫度等數據，確保各回路可靠穩定運行[1-3]。

高壓箱主要由箱體、箱蓋、匯流排、繼電器、傳感器、采集板、手動維修開關(MSD)以及保險等部件組成。箱體、箱蓋組成外部防護結構，給內部元器件的使用提供可靠、穩定的運行環境；匯流排連通元器件組成各電流回路；繼電器控制各回路的通斷；傳感器及高壓采集板采集相應數據并進行信息傳輸，高壓采集板可進行部分邏輯計算，如絕緣檢測等；手動維修開關用于檢修時斷開電路，起到保護作用；保險在過載或短路情況下自動熔斷，保護整個系統，防止安全事故發生。高壓箱的組成及連接示意圖如圖1所示。

圖1 高壓箱組成及連接示意圖

1.2 高壓箱熱特性

高壓箱作為動力分配單元，其溫度特性主要表現在電流通過高壓箱內部導電元器件時，其自身的體積電阻和接觸部分的接觸電阻產生的焦耳熱，熱量不斷積聚使導熱元器件溫度升高。由于高壓箱有箱體、箱蓋的保護，防護等級一般在IP67以上，內部空間緊湊、封閉，導電元器件種類多，結構復雜，容易出現熱量聚集，導致局部溫度持續上升，超過使用溫度限制，給元器件的使用壽命和系統安全造成影響[4]。

2 高壓箱溫升仿真及驗證

2.1 仿真條件

設計條件：環境溫度45 ℃，自然散熱條件，各連接回路由銅制匯流排、繼電器銅導體以及保險銅導線等組成，根據實際情況輸入各連接回路負載情況[5]。按照系統放電模式持續通過200 A額定電流，通電時間1 h。

由于高壓箱內部導熱材料為紫銅，且其內部封閉，與外界空氣對流較少，因此采用銅導體建立其有限元分析模型，并采用穩態導熱方法求解[6-7]。紫銅材質參數如下：密度8.89×103kg/m3，比熱容394 J/(kg·K)，導熱率386.4 W/(kg·K)，電阻率1.72×10-8Ω·m[8]。

2.2 仿真建模和結果分析

依照設計輸入建立高壓箱電-熱耦合場分析有限元模型[9-10]，一方面準確地模擬載荷工況下電流行經路徑，得到各回路電流密度分布，從而準確地獲取電器件發熱功率。高壓箱內部回路電流密度分布云圖仿真結果如圖2所示。

圖2 電流密度分布云圖仿真結果(單位：A/m3)

另一方面進行流固耦合熱仿真分析和自然散熱邊界條件下的溫度場仿真分析，模擬實際散熱環境，得到高壓箱溫升過程溫度最高時刻內部溫度分布云圖仿真結果，如圖3所示。

圖3 內部溫度分布云圖仿真結果

通過對高壓箱進行電-熱耦合場仿真分析可知，高壓箱內部連接回路在整個過流過程中，最高溫度為71.897 ℃，最大溫升為26.897 K，并可得到最高溫度點、最大溫升點的發生位置。選取包括最高溫度點、最低溫度點、最大溫升點、最小溫升點在內的10個溫度對照點，標記序號1-10，位置標記及結果如圖3所示。

GB/T 37133—2018 《電動汽車用高壓大電流線束和連接器技術要求》中要求高壓連接系統正常工作時，系統各點溫升不應大于55 K。而高壓箱零部件選型時，選用的零部件非金屬材料長期耐溫為125 ℃，因此，仿真結果滿足高壓箱系統長期使用溫度要求。

2.3 高壓箱溫升試驗驗證

為驗證仿真分析結果的準確性，進行高壓箱實物溫升試驗，選取仿真分析所選取的10個溫度點布置溫度傳感器[11-12]。試驗設計條件相同：將高壓箱放置在45 ℃恒溫箱中，采用自然冷卻方式，過流200 A持續時間1 h，采集各點的溫升數據，繪制各點隨時間變化的溫度曲線，如圖4所示。

圖4 高壓箱溫升試驗曲線

試驗表明，隨著過流時間的持續，高壓箱內部采溫點的溫度逐漸升高，溫升速率逐漸降低，試驗末端溫度趨于平衡，整個系統趨向穩態。選取發生最高溫度時刻各點的溫度值可知，最高點溫度為72.1 ℃，最大溫升為27.1 K；對比各個采樣點的溫升，與仿真結果相比，最大誤差發生在溫度點7位置，仿真結果為60.918 ℃，試驗結果為60.205 ℃，相差0.713 K，最大溫升誤差為4.69%?？紤]到模型與實際產品的差異以及測量誤差等，此結果的誤差在可接受范圍內。

因試驗和仿真結果都表明同一時刻某一檢測點的溫差較大，為27.1 K，說明高壓箱內局部位置發熱明顯，可進一步對高壓箱內局部位置進行結構及布置優化，降低最大溫差，提升整體熱穩定性。

3 結束語

本文提出了一種研究動力電池系統高壓箱熱性能的思路和方法。通過仿真分析得到高壓箱內部電流密度云圖和溫度云圖，驗證設計的合理性，指導設計優化，為系統、深入地研究高壓箱、提升電池系統的安全性和可靠性提供參考。