一種純電動轎車電池組冷卻系統設計及仿真摘要：介紹了某純電動轎車兩種冷卻系統設計方案，利用計算流體動力學（ComputationalFluidDynamics，CFD）仿真軟件建立整個電池組仿真模型，通過仿真和試驗相結合的手段獲取仿真模型中蒸發器等效模型的關鍵參數，從而進行高溫工況下電池組散熱情況的數值模擬，指導冷卻系統方案設計。對比兩組仿真結果，確定蒸發器分體式冷卻方案對電池組的冷卻效果明顯優于集中式，且該冷卻系統可以有效保證電池在高溫環境下運行的穩定性，防止熱失控現象的發生。關鍵詞：純電動轎車；熱管理系統；冷卻；數值模擬中圖分類號：U469.72+2文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.08動力電池作為新能源純電動汽車的動力來源，在提高整車性能和降低成本方面都有至關重要的作用，其溫度特性直接影響到純電動汽車的性能、壽命和耐久性[1-2]。目前在電池容量受到限制的情況下，電池成組技術水平對電池系統的發展非常重要，而電池熱管理系統作為電池成組技術的重要核心技術之一，對提高電池一致性以及保證整車安全性都至關重要。在夏季，電動汽車運行過程中，對電池的充放電會卻。箱體全封閉式，空氣從風機出口，沿著系統內的風道冷卻發熱的電池模組，最終回到風機形成內循環。冷卻系統風道示意圖如圖1和圖2所示，風扇布置在蒸發器前端。本文所述電池組冷卻系統，當空調系統開始制冷工作時，壓縮機轉動將進入其中的低溫低壓氣態制冷劑壓縮為高溫高壓氣體狀態，高溫高壓制冷劑在壓縮機持續不斷的壓力下被送入冷凝器里將其變為中溫高壓的液體。隨后制冷劑再經過干燥器進行氣液分離，并將制冷劑中殘留水分除去。制冷劑經過膨脹閥，因膨脹閥有限流作用，使液態制冷劑經過限量后進入電池組內部蒸發器，制冷劑因壓力降低而使體積膨脹，當液態制冷劑在壓力下降到一定值時，會由液態直接蒸發為氣態并在蒸發器芯體上吸收周圍大量的熱能，使蒸發器芯體的溫度降低。當有自然風從蒸發器芯體的翅片或扁管上通過時，蒸發器芯體會對自然風降溫，并將降溫后的空氣送出蒸發器總成以產生電池包內部制冷效果[5]。由于蒸發器所在位置不同導致其制冷效果會出現較大差異，分體式蒸發器制冷效果好，但在安裝制造方面存在較大困難；集中式蒸發器制冷效果較分體式差，但安裝相對較為方便。因此需要利用CFD軟件對電池組進行高溫冷卻仿真，選取較優方案。1.2冷卻系統蒸發器制冷量計算冷卻系統設計初期需要根據整車性能設計目標需求計算蒸發器制冷量，以此作為蒸發器部件選型的重要依據。。式中，Cp為電池單體比熱容，J/（kg?K）；m為電池單體質量，kg；mi為電池單體每種材料質量，kg；Ci為電池單體每種材料比熱容，J/（kg?K）。假設電池組內部設計n個電池單體，熱管理系統目標要求所控制溫升ΔT，由經典熱力學公式可得：Q電池組。電池組實際制冷過程中，電池組內空氣溫度是隨時間變化的，制冷時間為t，則。式中，q為熱流密度，J/（m2?s）；A為散熱面積，m2。冷卻工況下蒸發器制冷量計算，電池組是工作的，需要考慮電池的發熱量。Q電池。式中，q'為放電功率，w；t為制冷時間，s。蒸發器總制冷量為QQ電池+Q'+Q電池。2電池組仿真模型建立2.1模型簡化綜合利用CFD軟件自建模及外部導入兩種方式，建立電池組仿真模型，考慮到電池組內部實際結構的復雜性，需對其進行簡化，去除不必要的幾何特征，例如倒角、圓角等。電池系統內部設計有蒸發器等元件，若保持其原始模型，會大大增加仿真計算成本和難度，所以需要進行合理等效簡化，在系統內部建立其相應等效模型。2.2蒸發器等效模型建立2.2.1蒸發器阻抗計算系統阻抗與風速無關，主要是由模組布置、風道設計等決定的。為獲取蒸發器阻抗特性，需對蒸發器進行風洞試驗。在入口處給定一定風速，通過測量進風口、出風口兩處的壓力得到前后壓差ΔP。系統阻抗方程：。式中，k1、k2為系統阻尼系數；為空氣密度，kg/m?；v為進風口速度，m/s；ΔP為壓降。在系統進風口處分別將風速設置為5m/s以及10m/s。通過計算，對于集中式冷卻方案蒸發器：。對于分體式冷卻方案蒸發器：。2.2.2蒸發器仿真模型建立利用仿真軟件建立蒸發器等效模型，如圖5所示，并通過一定手段將以上計算得到的蒸發器阻抗特性輸入到系統中。為驗證所建立等效模型的合理性，利用CFD軟件對所建立的模型模擬風洞試驗，即在入口處給一定對風速，通過測量進出風口兩處壓力得到壓力差，得到其前后速度及壓力分布情況，如圖6和圖7所示，圖8為試驗結果。考慮到蒸發器實際模型較為復雜，故利用CFD軟件中散熱器模型對其進行簡化，散熱器底座與翅片分別模擬蒸發器中間芯體與翅片。圖6為利用CFD軟件對其建立的風洞模型。當設計蒸發器進口容積風量為100m3/h，得到速度分布情況，其中最大風速為12.9m/s。圖7為當設計蒸發器進口容積風量為100m3/h，得到的壓力損失情況。通過對蒸發器分析可以看出，蒸發器前端壓力最大為182Pa，后端為-67Pa，故其壓力損失為247Pa。圖8為試驗測試結果，ΔP為242Pa，通過對比表明此種簡化等效方法是合理的。3CFD流體數學模型流體傳熱過程中都受物理守恒定律制約，基本的守恒定律包括：質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律等[6]。連續性方程：。式中，為流體密度，kg/m?；ui為流體速度沿i方向的分量。動量方程：。式中，p為靜壓力，Pa；τij為應力矢量；gi為i方向的重力分量；Fi為由于阻力和能源而引起的其它能源項。能量方程：。式中，h為熵；k為分子傳導率；kt為由于湍流傳遞而引起的傳導率；Sh為定義的體積源。4網格劃分由于模型內部存在風扇，若全部采用笛卡爾六面體網格可能會導致風扇外形失真，但網格數目會減少，因而風扇采用六面體連續性網格（Unstructured），剩下的面采用笛卡爾六面體網格（Cartesian）。5邊界條件設定電池組1C放電電流為60A，三元電芯內阻為19mΩ，整個電池組為32并92串，動力電池組總成外殼下底板材料為SPCC（冷軋碳素薄鋼板），電池組上蓋采用PC（非晶體工程材料），電池組模塊固定板材料為丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物板（Acrylonitrile-Butdiene-Styrene，ABS），根據所選風扇輸入其P-Q曲線，蒸發器制冷功率為500W。6兩種冷卻方案仿真結果分析6.1集中式冷卻方案仿真分析高溫工況，即環境溫度為40℃，軸流風機位于蒸發器前端，加熱器不工作，風機及蒸發器工作，蒸發器制冷功率為500W，仿真結果如圖9和圖10所示。從圖9和圖10可以看出，在蒸發器制冷功率為500W時，電池包內局部單體電池仍然有一定的溫升，3600s時最大溫升為9.06℃。從整個系統橫截面可以看出，電池組中不同位置溫度分布溫差較大，靠近蒸發器端溫度較低，遠離蒸發器位置溫升較大，電池組內部存在溫度分布不均勻的問題。6.2分體式冷卻方案仿真分析當采用分體式冷卻方案時，蒸發器制冷功率為500W（左右兩側分別有一個蒸發器，各自功率均為250W），熱仿真結果如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可以看出，電池包內局部單體電池3600s內最大溫升為6.58℃。電池組尾部局部溫升較大，可以通過改進風道的方式來加以改善，整體溫度分布較為均勻。7兩種冷卻方案對比總結7.1集中式冷卻方案仿真結果總結通過瞬態仿真分析，獲得了電池組內部溫度隨時間變化的分布情況。從以上截圖可以看出，在環境溫度為40℃，蒸發器制冷功率為500W時，電池包內局部單體電池仍然有一定的溫升，3600s時最大溫升為9.06℃，不超過55℃。但同時可以看出，電池組中不同位置溫度差較大。綜上所述，集中式冷卻方案在高溫工況下冷卻性能較差。7.2分體式熱管理系統仿真結果總結通過瞬態仿真分析，獲得了電池組內部溫度隨時間變化的分布情況。從以上截圖可以看出，在環境溫度為40℃，蒸發器制冷功率為500W，電池1C放電的情形下，電池包內局部單體電池仍然有一定的溫升，3600s時最大溫升為6.58℃，不超過50℃。同時可以看出，整個系統中靠近加熱器的后模組部分模組電池溫升相對較大，但電池組整體較為平均，故分體式熱管理系統基本上解決了集中式熱管理系統溫差過大的影響，通過改善風道及優化結構實現分體式熱管理系統。8結論（1）空調制冷原理運用于電池熱管理系統是可行的，能夠有效地對電池組進行冷卻。（2）通過阻抗計算分析對蒸發器進行簡化是合理的。（3）利用CFD軟件進行熱管理系統仿真分析，能夠反映電池組溫度分布趨勢，說明將CFD技術應用于新能源電動汽車電池組熱管理系統方案設計是可行的。（4）蒸發器分體式冷卻方案對電池組的冷卻效果優于集中式冷卻方案。（5）某純電動轎車電池組冷卻系統為密閉式設計，可在高溫環境下對電池組進行有效冷卻，避免熱失控現象的出現。參考文獻（References）：EHSANIM.ModernElectric，HybridElectric，andFuelCellVehicles[M].BocaRaton：CRCPress，2005.ALAOUIC.Solid-StateThermalManagementforLithium-IonEVBatteries[J].VehicularTechnology，IEEETransactions，2013，62（1）：98-107.雷治國，張承寧.電動汽車電池組熱管理系統的研究進展[J].電源技術，2011（12）：1609-1611.LeiZhiguo，ZhangChengning.TheResearchProgressofElectricVehicleBattery'sThermalManagementSystem[J].ChineseJournalofPowerSources，2011（12）：1609-1611.（inChinese）CHENCC.GIBBARDHF.ThermalManagementofBatterySystemsforElectricVehiclesandUtilityLoadLeveling[C]//Proceedingsofthe14thIntersocietyEnergyConversionEngineeringConference，Boston，MA，USA：AmericanChemSoc，IEEE，AmericanNuclearSoc，1979：725-729.朱漢清.談汽車空調的結構及工作原理[J].科技創新與應用，2013（33）：119.ZhuHanqing.AutomotiveAirConditioningStructureandOperatingPrinciple[J].TechnologicalInnovationandApplication，2013（33）：119.（inChinese）夏順禮，秦李偉，趙久志，等.某純電動車型電池熱管理系統設計分