基于ANSYS Icepak软件的风冷电池箱散热仿真分析

李华伟，于晨晨

（中国矿业大学，北京 100083）

1 引言

动力电池是电动汽车的关键部件，如果电池长期处于恶劣的热环境中将降低电池使用性能，缩短电池的寿命。随着电池箱向高功率和小型化的方向发展，其本身带来的工作稳定性和长期可靠性等问题成为电池箱热设计和热管理的关键点。许多学者对电池箱和电池组的热设计进行了研究，韩治成等对电池箱引流板的结构进行优化设计，在多种进口风速工况下进行热仿真，得到了机箱较好的散热条件。吴宏等分析了几种典型电池箱的散热环境，得到温度场分布较合理的通风冷却结构。费朝辉等研究了对电池箱温度场影响的较大的几个因素，得出了放电倍率、流量和风道结构等对温度场的影响。姬芬竹等应用Fluent软件分析了单体电池生热和散热的特性以及电池箱出风口的位置对电池温度变化的影响。

某型号电池箱内部电子元器件布置密集，发热量大，对工作环境温度要求严格，为及时将功耗部件产生的热量排出机箱，确保电子元器件在规定的温度下正常工作，该电池箱采用强迫风冷的冷却方式。当自然对流满足不了大功耗设备的散热要求时，可采用增加外部动力源来达到冷却机箱的目的。

根据本电池箱热流密度的特点以及内部核心部件电池单体对热环境的要求，选择风机抽风冷却机箱内部的元器件。热仿真技术是进行热设计不可缺少的一步，本文采用专业的电子设备热分析软件ANSYS Icepak对电池箱进行详细的建模和模拟分析，验证了设计方案的可靠性，为该机箱的散热性能的改进提供了参考。

2 电池箱的结构

去掉上盖的电池箱体的结构如图1所示，机箱由上箱盖和下箱体、电池模块、托架，加强筋板及离心风机等组成，箱体外壁采用薄钢板，内壁上安装加强筋，内部并列放置8组电池包，3个电池包构成一组，每组电池模块的功耗为51W，工作环境温度为-25～45℃，电子器件工作温度为-35～65℃，机箱顶部的开孔为离心风机吸风口，底部开设进风口，机箱的外形尺寸为1388mm×296mm×332mm ，电池包的外形尺寸为130mm×83mm×292mm。

图1 机箱结构示意图

如图1(a)、(b)所示，机箱左侧离心风扇处为吸风口，右侧圆孔为进风口。加强筋板位于电池箱内部，前后对称布置，提供8组电池包的安装接口，并起到结构强化的作用，由铝合金材料制造，其强度和刚度满足设计要求。图1(c)为单个电池包的结构形式，单个电池包采用ABS塑料包覆装配，设置有电气接口和安装紧固接口。

3 机箱热设计分析

为全面准确了解机箱强迫风冷的散热效果，本文在13种不同的工况下对机箱进行热仿真分析。由于机箱较封闭，电子元器件密度大，内部的自然对流和辐射换热不考虑，经计算机箱的总功耗为Q=408W，故机箱的表面热流密度为=Q/A=0.022W/cm2，内部器件允许的温升为20℃。电池单体是各向异性导热源，对电池箱体进行热仿真时需确定电池单体单位体积热生成率，电池的比热，各向异性导热率等，应用热阻的串并联特性推导了电池在各个方向上的导热率，此处的导热率由生产商提供。冷却风量须根据设计状态确定。需要多大的风量来冷却工作状态电池阵列，以保证电池阵列在合理的温度范围内工作。由以上分析，结合热流密度和冷却方式的对照曲线图选择冷却的方式。该热流密度值大于自然冷却的最高温度的要求，符合强迫风冷的设计要求。设计风速定为9.2m/s，不同工况下的散热分析方案如表1。

表1 不同工况散热分析方案

4 机箱热仿真分析

4.1 建立求解模型

采用ANSYS几何前处理工具Design Modeler进行前处理和分析模型转化。建立机箱的模型时，对热分析影响不大的细节简化处理，比如圆角、安装孔和螺纹等局部可不考虑。为准确反映机箱内部各部件的散热情况，尽可能保留机箱内的部件。机箱体包括侧盖、顶盖、进出风口、电气接口等，模型处理时保留进出风口；电气接口由于工作时是封闭的，简化时消除；侧盖和顶盖在ICEPAK软件里面建立，处理成一个完整的六面体箱体。由于机箱为对称结构，利用ICEPAK中的创建组和复制功能实现快速建模。对单个电池包的处理原则是最大限度保留影响电池散热的特征，对ABS塑料壳体保留周边圆孔特征，对紧固接口等散热影响小的特征进行处理，保留主要的冷却气流通路特征。对加强筋的处理原则是保留影响空气流通的主要特征，对紧固件及工艺特征进行简化处理，保留加强筋的大部分特征。

参数的设计主要包括机箱外侧壁的自然对流、各个分析对象的功耗、材料、风机吸风口的风速、环境温度和压力等设置。

在网格划分时采用非结构化的六面体网格（Hexa unstructured mesh）以提高网格的精度，采用Normal方式细化网格，各电池模块分别设为Assemly并设置合适的Slak值，进行局部网格细化。对不同的Assemly分别划分网格，从而提高分析的准确性。网格划分的总单元数量为7465514，节点数量为8534096，质量检查 的 结 果 为 Face alignment＞0.299，Quality＞0.257，2.34e-11＞Volume＞7.69e-7 ，Skewness＞0.214。

进行求解计算前，在ICEPAK的基本设置对话框中通过Reset对reynolds和peclet两个参数进行评价，选择推荐的湍流模型。设置收敛的标准，Flow项设为1e-3，Energy项设为1e-7，迭代持次数为200，其它设置保持默认。在机箱的进风口设置压力和速度监测点，在吸风口设置温度监测点。在稳态条件下通过求解流场的连续方程，紊流动能方程和损耗方程获得各点的压力和温度等数据。后处理阶段应用ICEPAK中的Object face和Plane cut模块可实现对温度场和流场分布情况的查看。

4.2 分析结果

计算分析收敛的判断从两个方面来确定，一是以收敛残差必须达到设定值并且收敛趋势好，二是通过监测点来监测计算是否达到物理收敛。

图2 计算分析检测图

机箱内部温度分布合理和元器件的温度满足要求是衡量热设计成功的指标之一。通过仿真分析获得了13种工况下机箱内部和主要元器件的温度分布规律。鉴于篇幅此处仅列举环境温度为25℃工况下的温度分布情况，其它工况下的温度分布均相似。

图3 温度分布示意图

由图3(a)可知，机箱表面的温度从进风口到出风口逐渐升高，在进口处温度较低，最低温度为25℃，在出口处温度较高，最高温度为32.7℃。由于对流和热传导使热量在该区域的加速聚集，为改善机箱表面的散热效果可在该处增加散热孔或采用换热性能较好的材料，以增强自然对流的能力。图3(b)显示电池箱体内部的温度主要集中在电池发热源处，在该截面中心最高温度值均超过40℃，但远小于规定的最高工作温度。电池箱体最高温度为43.59℃，最高温度点在中间一排电池内部中心，最低温度为25.08℃，接近外界空气温度，处于气流入口ABS外壳。

图4 电池温度分布图

图4 所示为电池阵列及电池单体阵列温度云图，可知24个电池包温度值跨度较大，分布不均，进气端温度较低，出气口端温度高，这是串行通风的普遍现象。同时，中心一排温度相对两侧要高。对于单个电池包，两侧电池单体温差较小，基本保持在2～3℃温度范围,越往中心温差越大。

机箱内部气流流动均匀稳定是风道设计合理的重要体现。图5显示的是环境温度为25℃工况下的机箱内部气流的流动情况，其它工况下的气流分布均相似。从轨迹线分析来看，空气可以在电池阵列四周通过，由于进出口非对称性布置，空气流动形态也是非对称性的，图中显示进出口的速度最大，进口风速最大为18.9m/s，机箱内部的气流流动顺畅，无回流现象。

机箱内部的温度主要来自电池模块的发热，在环境温度为25℃时其温度分布分别如下。

如上图6所示，各电池模块的最高温度均集中在中心部位，趋向于出风口的模块温度较高，温度均超过40℃，其中温度最高的为模块2，达到43.5℃；在进风口处的模块温度较低，模块3和模块4均低于40℃。

随着环境温度的下降，箱体、电池模块和出风口的温度均下降，在工况1时，各模块的最低温度高于-20℃，远高于器件最低温度要求。最低温度出现在机箱表面为-20℃。随着环境温度的升高，各部分的温度均提高，其中在环境温度为40℃时，模块1～8的最高温度均未超过60℃，最高温度为57.77℃，接近规定值。因此应采取降低环境温度的措施，如安装室内空调或者提高风速、增加进气排热的开口面积等。

图5 机箱内部速度迹线图

图6 部分电池模块温度云图

5 结语

通过ANSYS ICEPAK软件对风冷电池箱进行热仿真，得到了机箱内外部的温度分布和流场流动的数据，结合热设计理论评估该方案设计的合理性，在环境温度为-20℃时，机箱内的最低温度远高于最低要求温度，在环境温度为40℃时，各电池模块的温度均未超出最高要求温度。对温度分布不均及过高的现象给出机箱改进办法，在强迫风冷的条件下，风速设置为9.2m/s，能满足各设计工况下的散热要求。同时内部流场分布均匀，风道的设计合理。该分析为机箱的散热改进和同类产品的仿真分析提供了数据和参考。