一种重度混合动力轿车动力电池冷却系统设计

夏顺礼，宋军，赵久志，张宝鑫，阳斌（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心 新能源汽车研究院，安徽 合肥 230601）



一种重度混合动力轿车动力电池冷却系统设计

夏顺礼，宋军，赵久志，张宝鑫，阳斌
（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心 新能源汽车研究院，安徽 合肥 230601）

动力电池热管理系统对重度混合动力轿车在各种环境下行驶的动力性有至关重要的影响。本文提出了一种重度混合动力轿车冷却系统设计方案，利用一维热流体系统仿真、三维计算流体动力学数值计算建立整个电池包模型，通过数值分析获取电池包内速度、压力、风量及温度等关键参数分布，对比了底部进风与侧部进风两组方案的冷却效果，优化了冷却系统设计方案，并进行了试验测试验证分析。结果表明，该冷却系统设计方案能够满足该重度混合动力轿车的行驶要求，能够有效保证动力电池工作处在最优温度范围内，同时动力电池的温差控制在最佳范围内。

重度混合动力；电池包；冷却；数值模拟

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.007

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

前言

动力电池作为新能源电动汽车的动力来源，在提高整车性能和降低成本方面起到至关重要的作用，其温度特性直接影响到纯电动汽车的性能、寿命和耐久性[1-4]。目前在电池容量受到限制情况下，电池成组技术水平对电池系统发展起到至关重要的作用，而电池热管理系统作为电池成组技术的重要核心技术之一，对提高电池一致性以及保证整车安全性有至关重要的作用。在夏季，混合动力汽车运行过程中，对电池的充放电会伴随着大量热量的产生，如不及时进行散热，电池包内部温度会急剧上升，若风道设计不合理会进一步导致温差不断加大，加剧电池内阻与容量的不一致性，甚至导致热失控，存在很大安全隐患。

设计性能良好的电池组热管理系统，要采用系统化的设计方法。很多研究文献都介绍了各自设计的热管理方法，因此，在储能系统电池组应用中，还需要对电池组进行热管理系统设计[5]。

但真实的热管理系统是极其复杂的，物理实验不仅受到模型大小、流场扰动、测试人员安全和准确度的限制，而且成本高、周期长。CFD仿真可预先研究、条件限制少、信息丰富、成本低、周期短[6]。

本文提出一种重度混合动力轿车冷却系统方案，利用抽取乘员舱内空调风对电池包进行主动散热。利用CFD仿真对所设计两种方案进行数值模拟，最终确定较优方案，通过试验验证进一步说明 CFD技术应用于新能源电动车电池包热管理方案设计是可行的。

1、电池包冷却系统设计

某重度混合动力轿车电池包内部设计有4个模组，每个模组分别由17个6Ah电池单体串联而成，模组通过螺栓固定在电池包下壳体，模组内部设计有隔板。整车冷却系统设计成强制风冷，内部冷却通道设计成并联式。

流体传热过程中都受物理守恒定律制约，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等[7-10]。

风机将乘员仓内空调风抽取到电池包内部，冷却系统示意图如下图2所示，电池包模组内部设计有隔板，通过进入隔板内部空气与电池单体热量交换，实现对电池单体的冷却及加热，电池包内部空气流动如下图3所示。

根据整车需求，提出电池包热管理系统性能目标，如下表一所示。

表1　热管理系统性能目标

结合电池包在整车布置方案的不同，提出两种进风思路，第一种在电池包下壳体处设计风道即底部进风方式，该方案底部空间较大，风道管路设计灵活，装配简单方便，但垂直方向占用空间大；第二种在电池包两侧进风，该方案结构紧凑，但空间受限，拆卸与装配可能存在困难。利用CFD数值模拟方法，分析两种方案在热管理性能方面不同，从而得到最优方案。

2、CFD流体数学模型

连续性方程：

式中：ρ为流体密度；uj为流体速度沿i方向的分量；t为时间。

动量方程：

式中：P为静压力；τij为应力矢量；ρgi为i方向的重力分量；Fi为由于阻力和能源而引起的其他能源项。

能量方程：

式中：h为熵；k为分子传导率；kt为由于湍流传递而引起的传导率；Sh为定义的体积源。

3、边界条件设定

电池包内部设计有4个模组，每个模组分别由17个6Ah电池单体串联而成，放电倍率为 4C，单体电池发热功率为3.52W，电池包外壳材料为SPCC（冷轧碳素薄钢板），模组之间设计塑料风道隔板，隔板材料为PC（非晶体工程材料），风道材料为PC，根据所选风扇输入其P-Q曲线。

高温冷却工况，即环境温度为 40 ℃，入口初始温度为25℃，入口为压力边界，出口条件为体积流量。

表2　电池包具体参数

4、两种冷却方案仿真结果分析

三维仿真软件主要用来计算稳态工况下模组压降、速度及风量分配，利用仿真分析结果指导模组设计；利用一维软件计算电池包压降、速度及风量，仿真工况与实际工况更加接近，更具指导意义。

利用 Star-ccm+软件进行三维自建模及复杂模型导入两种方式建立冷却系统模型，部件主要为风道及电池单体，根据建立的集合模型，使用六面体网格，划出高质量的网格。

图4电池包采用侧部进风方式，布置紧凑，但空间受限导致风道管路设计存在由于局部突变，压降增大；图5采用底部进风方式，垂直空间占用空间较大，但横向尺寸更为灵活，可以有效降低压降。

4.1电池包侧部进风仿真分析

4.1.1电池模组出风口面积为800mm2

通过仿真分析，得出模组出风口面积为 800mm2，电池模组进出口位置如图6所示、压降分布如图7所示，压降为56.4Pa。

4.1.2电池模组出风口面积为1000mm2

通过仿真分析，得出模组出风口面积为1000mm2，电池包内部速度分布如图8、压降分布如图9所示，压降为57Pa。

4.1.3方案对比

最初方案即电池模组出风口面积为 1000mm2改进后方案即电池模组出风口面积为1000mm2，通过以上分析，得出模组内部压降基本相同；从图10与图11可以看出，模组内部风量及风量偏移量存在较大变化，去除风道1与风道17后，改进后方案明显优于最初方案，故侧部进风选用电池模组出风口面积为1000mm2；模组两端即风道1与风道17风量明显偏小，方案需求进一步优化。

4.2电池包底部进风仿真分析

利用仿真分析软件，建立冷却系统模型，完成底部进风方案，迹线如图12所示；压降为234.5Pa，如图13所示；模组间风量整体较为平均，相比较侧部进风有明显改善；如图14所示；同一截面温差控制在5℃以内，如图15所示，因此热管理冷却系统采用底部进风方式。

5、电池包一维仿真分析

利用Flowmaster软件，采用整车满载工况，由于整车实际工作过程中，电池包发热量不是恒定的，瞬态工况如图16所示，利用放电电流与时间对应关系，得出电池单体实际工况发热量；输入风扇P-Q曲线及其控制策略，风扇在不同工况下对应占空比亦不相同，如图17；建立电池包一维仿真分析模型如图18；得出高温条件下电池冷却仿真分析结果如图19所示，仿真结果表明电池包模组间温差控制在1℃以内，最高温度≤45℃。

表3　40℃ 电池模组温差

6、高温冷却试验

电池包工况为整车满载工况，环境温度为 40 ℃，入口初始温度为 25℃，输入风机P-Q曲线及控制策略。

通过高温冷却试验，电池包温度变化趋势基本上与一维仿真分析结果相同，温差为 3℃，电池最高温度＜45℃，满足设计要求。

7、结论

（1）利用一维仿真分析软件能够将控制策略融入其中，更加接近真实工况。

（2）利用三维仿真分析软件与一维仿真分析软件有效结合进行热管理仿真分析，能够反映电池包温度分布趋势，说明将 CFD技术应用于新能源电动车电池包热管理方案设计是可行的。

（3）某重度混合动力轿车可有效在高温环境下对电池包进行冷却，避免热失控现象的出现。

[1]Mehrdad Ehsani.Modren electric， hybrid electic,and fuel cell vehicles[M].Boca Raton :CRC Press,2005.

[2]车杜兰,周 荣,乔维高.电动汽车电池包热管理系统设计方法[J].汽车工程师,2009(10)：28-30.

[3]胡林,古正气,黄晶,颜运昌.电动汽车的关键技术分析[J].机械制造,2005（10）.

[4]C.Alaoui,Solid-State Thermal management for lithium-Ion EV batteries,Vehicular Technology,IEEE Transactions on,(2013) 98-107.

[5]雷治国,张承宁.电动汽车电池包热管理系统的研究进展[J].电源技术，2011(12)：1609-1611.

[6]CHEN C C.GIBBARD H F.Therm al management of battery systems for electric vehicles and utility load leveling[C]// Proceedings of the 14th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference.Boston,MA,USA:American Chem Soc,IEEE,American NuclearSoc.1979:725—729.

[7]夏顺礼,秦李伟,赵久志等.某纯电动车型电池热管理系统设计分析与验证[J].汽车工程学报,2011:5.

[8]曹振新,虞海波,马成伟.微型纯电动汽车的动力参数匹配与仿真研究[J].机械制造,2014（1）.

[9]陈磊涛，许思传，常国峰.混合动力汽车动力电池热管理系统流场特性研[J].汽车工程,2009(3)：224.227.

[10]付正阳,林成涛,陈全世.电动汽车电池组热管理系统的关键技术[J].公路交通科技,2005(3)：119—123.

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

夏顺礼（1972-），男，副高级工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心 新能源汽车研究院。