PHEV电动汽车电池包的热管理研究.doc

PHEV电动汽车电池包的热管理研究 摘要：本文应用流体热分析软件FLOEFD，在前期对8Ah单体电池在不同充放电倍率下的热特性研究的基础上，对PHEV系统在自然冷却及强制风冷散热条件情况下的热流场特性进行了研究，分析了不同倍率充放电时系统的散热效果，并对风道结构进行了优化。仿真和实验结果表明：自然冷却时系统温度较高，为42.7；在不同倍率风冷时，系统最高温度也不同，但在大倍率充放电时产生的热量明显高于小倍率时，对电池的寿命有着极其不利的影响。风道结构优化后的结果显示：优化后的散热效果明显优于优化前。 关键词：电动汽车 热管理 热特性 仿真 1 引言 环境问题和能源危机已促使汽车行业发展清洁、高效和可持续的城市交通车辆，国家亦把新能源汽车列为现阶段重点发展的七大产业之一，并在财税金融等政策上给与了大力支持。而电池组的热管理系统是研究与开发现代电动汽车的关键，同时是提高整车性能的重要手段。电池包只能在一定的温度范围内才能达到较佳的性能和寿命。系统内空气流场的分布对电池组温度场分布有较大的影响，但由于电池包系统的复杂化和大型化，实验成本增加，开发有效的计算流体力学方法用于电池包的设计、分析和优化，具有重要的意义。 本文通过对系统温度场分布的测试与仿真，考察PHEV-B项目电池组系统在室温下，1C（自然冷却、风冷）、2C、3C工况下，系统的散热性能，并对原有风道进行优化。 2 数学模型 2.1基本守恒方程 在自然科学的范畴内，广泛存在着三大基本守恒方程：质量、动量和能量的守恒方程，计算流体力学也不例外。 模拟过程中的质量守恒方程如下： (2-1) 在惯性坐标系中i方向上的动量守恒方程为： (2-2) 能量守恒方程： (2-3) 以上各式中， Cp为定压比热，gi为i方向上的重力加速度分量，keff为导热系数，t为时间，p为压力，Sh包括了化学反应热以及用户定义的其它体积热源项，T为平均温度，和分别表示平均速度和脉动速度，为动力粘度系数，为密度。 2.2湍流模型 由于雷诺平均过程中引入了被称为紊流应力或雷诺应力的未知关联量，所以说，上述基本守恒方程并没有构成封闭方程组。常用的紊流模型有：雷诺应力模型、紊流粘性系数模型、亚网格尺寸模型、速度概率密度函数输运方程模型。- 双方程模型的通用性较好，适用于大多数紊流场，但是强旋气流除外。 3 试验对象 3.1 几何模型 本文以PHEV-B项目的电池包模型为研究对象，并串，共216颗单体电池，在出口处有两个排风扇，其几何模型如下图1所示。 图1 PHEV-B电池包几何模型 3.2 计算网格 本文仿真选取的计算区域即为整体模型，由于计算模型是三维的，考虑到计算精度和计算量的问题，经多次调试和比较计算结果，并且对电池间隙处进行了局部加密，确定最终的网格如图2所示。 图2 计算网格图 4 试验设备与内容 4.1 测试设备 测试实验进行用到的设备如表1所示： 表1 设备类型 测试设备 BTS-600 电池测试系统 CANalyzer 计算机 图3 测试设备图 4.2测试内容 根据客户要求，并参照测试标准，本文实验的测试内容如下（以1C无风冷内容为例）： 电池组系统采用1C恒流充电至有单体电压至3.65V或总压至394.2V时，转恒流降流（14A、12A、10A、8A、5A、3A、1.6A）充电，以每个电流恒流充电至有单体电压至3.65V时降至下一个较低电流； 电池组系统以1C恒流放电至90%SOC； 静置12h； 取消风扇控制电源； 在常温下，电池组系统以1C恒流放电至40%SOC； 电池组系统以1C恒流充电至75%SOC； 重复步骤e）和f），直至试验持续时间达到8h。试验过程中记录各温度监测点的温度变化情况。 5 结果与讨论 5.1 1C自然冷却结果 图4是温度随充放电时间的变化曲线，其中（a）是测试结果，（b）是仿真结果。 1C自然冷却情况下，测试结果显示：系统内最高温度为42.7 ，仿真结果显示：系统内最高温度为46，仿真结果高于实验结果。这是由于因为仿真过程中系统壳体的密封效果比实际情况好，不会存在漏风等状况，且仿真时给定的单体电池的发热功率是绝热状态下的数值，比实际情况略大，故发热量较大，所以出现温度高于实测的结果。但是，该结果在一定的误差范围内。 图5是电池包内温度分布，其中（a）是测试结果，（b）是仿真结果。 仿真结果显示：图中红色区域为温度较高的地方，即高温区域出现在系统中部，靠近风扇部位的模块温度较低，而实际测试结果也显示高温区域在系统中部，二者结果吻合良好。 （a）测试结果 （b）仿真结