基于CFD模拟新能源汽车动力电池温度场

杨 扬

（晋中职业技术学院车辆工程学院，山西 晋中 030600）

北上广一些大型城市由于人口居多，汽车保有量也居全国之首，传统燃油车的使用使得尾气排放较为严重，造成雾霾天气频频发生且严重程度逐年加重。鉴于以上及其它一些原因，国家政策大力推行新能源汽车的发展，来改善雾霾状况等。

新能源汽车与传统燃油车相比，有着较为明显的优势［1］：①纯电动汽车不再需要发动机燃烧来驱动车轮行驶，而是通过动力驱动系统，即动力电池供给驱动电机能量来驱动车轮行驶；整个过程相比，新能源汽车没有燃烧反应，没有尾气排放，不会对空气产生雾霾影响。②新能源汽车与传统燃油车相比，行驶同样公里数所需要的费用为传统燃油车的1/5倍左右，长期运行经济性能较为明显，尤其对于出租车。③新能源汽车较传统燃油车行驶噪声更低。以上简单描述了几点新能源汽车与传统燃油车相比突出的优势，相信随着科技的进步，电动汽车优势将更为明显。

1 理论知识

新能源汽车主要由车身、底盘、动力驱动系统 （驱动电机+动力电池）以及电子电器设备等组成；其中动力电池供给新能源行驶的动力［2］，从而电机驱动车轮向前行驶。动力高压电池电压高达300~600V左右，车辆在运行过程中会产生很大的热量，而电池需要在一定温度范围之内才能正常工作，温度太高或者太低都会影响到电池的性能及寿命，从而影响到整车性能。

2 基于CATIA建立流道模型

动力电池电压在300~600V左右，本文主要对某自主品牌配备的动力电池进行模拟热场分布，该品牌动力电池电压420V，以下主要通过CATIA软件对一组三元锂电池内部流道进行模拟分析，分析其内部速度特性以及温度分布特性。图1为电池组壳体，红色线框为通风口，正对面为出口。图2为流道透视图，圆柱为电池棒。

图1 电池组壳体

图2 电池组流道模型

3 基于ICEM网格划分

以上电池组基本参数：电池棒直径40mm，高度150mm，电池棒数量共计3排18个，电池棒之间间隔为5mm［3］。在进行电池流道模型网格划分时，主要采用非结构三边形、四面体网格；在实际操作过程中，结合模型特点及模拟重点对网格数量进行了合理划分，合理的网格数量不仅加快计算速度，同时也会得到较为合理的模拟效果。图3~图5为电池组壳体网格图。

图3 电池组壳体网格图

图4 电池棒45°角网格图

图5 电池棒正面网格图

4 基于CFD数值模拟

4.1 边界条件设定

重力加速度方向设置在Y方向上为-9.81m/s2，即进口和出口位置位于水平方向与地面平行。求解方法选择压力瞬态求解器，选择湍流K-e标准模型，开启能量方程［4］；进口设定空气温度为25℃，速度为0.5m/s；由于出口条件为监察值，故设定为outflow；本文主要模拟自然情况下，电池棒的冷却效果，故设定电池棒初始温度为45℃［4］。

4.2 基于FLUENT模拟分析

模拟分析设定进口空气速度为0.5m/s，进口温度为25℃，电池棒初始温度设定为40℃。以下主要模拟不同时间的电池棒温度，具体模拟结果见图6~图12。

图6 5s电池棒温度云图

图7 15min电池棒温度云图

图8 5s电池棒截面温度云图

图9 60s电池棒截面温度云图

图10 300s电池棒截面温度云图

图11 600s电池棒截面温度云图

图12 900s电池棒截面温度云图

图6和图7为5s和15min两个时间段下电池棒整体温度云图。从模拟仿真得到的云图结果可以看出，在15min内电池棒整体温度降了5℃左右，其中靠近入口和出口区域的电池棒降温更为明显。

图8~图12分别为5s、60s、300s、600s、900s时间点截面温度云图。可以看出：随着时间推移，整体电池棒温度云图都有降低，温度从40℃降到35℃左右，靠近进出口位置区域整体温度较其它区域温度都低，电池壳左右两侧温度相对较高；整体而言，电池降温效果比较明显。

5 结论

本文主要对国内某新能源汽车配备的动力电池组中其中一组电池进行了温度场模拟。从模拟结果可以看出：15min左右电池内部温度从40℃降到35℃，降温幅度为5℃，降温较为明显。本文基于数值模拟的方法，来分析电池内部流道温度场，在同类产品设计中可起到指导作用，可以通过模拟来设计电池壳体进出口位置及冷却参数等。