一种纯电动轿车电池组冷却系统设计及仿真

宋军　夏顺礼　赵久志　张宝鑫　阳斌

摘 要：介绍了某纯电动轿车两种冷却系统设计方案，利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真软件建立整个电池组仿真模型，通过仿真和试验相结合的手段获取仿真模型中蒸发器等效模型的关键参数，从而进行高温工况下电池组散热情况的数值模拟，指导冷却系统方案设计。对比两组仿真结果，确定蒸发器分体式冷却方案对电池组的冷却效果明显优于集中式，且该冷却系统可以有效保证电池在高温环境下运行的稳定性，防止热失控现象的发生。

关键词：纯电动轿车；热管理系统；冷却；数值模拟

中图分类号：U469.72+2文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.08

动力电池作为新能源纯电动汽车的动力来源，在提高整车性能和降低成本方面都有至关重要的作用，其温度特性直接影响到纯电动汽车的性能、寿命和耐久性[1-2]。目前在电池容量受到限制的情况下，电池成组技术水平对电池系统的发展非常重要，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都至关重要。在夏季，电动汽车运行过程中，对电池的充放电会伴随着大量热量的产生，如不及时散热，电池组内部温度会急剧上升，且温差不断加大，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。

电池组冷却系统的设计需采用系统化的设计方法，同时为节省研究成本，需要借助成熟CFD技术来完善对电池组热特性的准确评估与分析。

针对目前传统开放式冷却系统不能很好地满足电池组运行需求的现状，本文提出一种全封闭式冷却系统方案，利用蒸发器对电池组进行主动散热。通过CFD仿真对所设计的两种方案进行数值模拟，最终确定较优方案。

1 电池组冷却系统设计

1.1 电池组冷却系统

空气冷却按照冷却系统采用结构的不同，分为串行和并行两种方式；按照是否使用风扇，分为强制及自然两种冷却方式。

自然冷却无冷却风扇，冷却效果比较差。强制冷却主要利用冷却风扇进行冷却，由于其实现成本较低、散热效果较好、可靠性高等特点，目前新能源汽车主要采用此种方式对电池组进行冷却[3-4]。

某纯电动轿车冷却系统利用空气作为冷却介质对电池组进行冷却，电池组内部选用能量型三元材料动力电池，采用密闭式热管理系统，利用强制冷却方式对电池组进行冷却。箱体全封闭式，空气从风机出口，沿着系统内的风道冷却发热的电池模组，最终回到风机形成内循环。冷却系统风道示意图如图1和图2所示，风扇布置在蒸发器前端。

本文所述电池组冷却系统，当空调系统开始制冷工作时，压缩机转动将进入其中的低温低压气态制冷剂压缩为高温高压气体状态，高温高压制冷剂在压缩机持续不断的压力下被送入冷凝器里将其变为中温高压的液体。随后制冷剂再经过干燥器进行气液分离，并将制冷剂中残留水分除去。制冷剂经过膨胀阀，因膨胀阀有限流作用，使液态制冷剂经过限量后进入电池组内部蒸发器，制冷剂因压力降低而使体积膨胀，当液态制冷剂在压力下降到一定值时，会由液态直接蒸发为气态并在蒸发器芯体上吸收周围大量的热能，使蒸发器芯体的温度降低。当有自然风从蒸发器芯体的翅片或扁管上通过时，蒸发器芯体会对自然风降温，并将降温后的空气送出蒸发器总成以产生电池包内部制冷效果[5]。

由于蒸发器所在位置不同导致其制冷效果会出现较大差异，分体式蒸发器制冷效果好，但在安装制造方面存在较大困难；集中式蒸发器制冷效果较分体式差，但安装相对较为方便。因此需要利用CFD软件对电池组进行高温冷却仿真，选取较优方案。

1.2 冷却系统蒸发器制冷量计算

冷却系统设计初期需要根据整车性能设计目标需求计算蒸发器制冷量，以此作为蒸发器部件选型的重要依据。

。

式中，Cp为电池单体比热容，J/（kg·K）；m为电池单体质量，kg；mi为电池单体每种材料质量，kg；Ci为电池单体每种材料比热容，J/（kg·K）。

假设电池组内部设计n个电池单体，热管理系统目标要求所控制温升ΔT，由经典热力学公式可得：

Q电池组。

电池组实际制冷过程中，电池组内空气温度是随时间变化的，制冷时间为 t，则

。

式中，q为热流密度，J/（m2·s）； A为散热面积，m2。

冷却工况下蒸发器制冷量计算，电池组是工作的，需要考虑电池的发热量。

Q电池。

式中，q'为放电功率，w；t为制冷时间，s。

蒸发器总制冷量为

QQ电池+ Q' + Q电池。

2 电池组仿真模型建立

2.1 模型简化

综合利用CFD软件自建模及外部导入两种方式，建立电池组仿真模型，考虑到电池组内部实际结构的复杂性，需对其进行简化，去除不必要的几何特征，例如倒角、圆角等。

电池系统内部设计有蒸发器等元件，若保持其原始模型，会大大增加仿真计算成本和难度，所以需要进行合理等效简化，在系统内部建立其相应等效模型。

2.2 蒸发器等效模型建立

2.2.1 蒸发器阻抗计算

系统阻抗与风速无关，主要是由模组布置、风道设计等决定的。

为获取蒸发器阻抗特性，需对蒸发器进行风洞试验。在入口处给定一定风速，通过测量进风口、出风口两处的压力得到前后压差ΔP。

系统阻抗方程：

。

式中，k1、k2为系统阻尼系数；为空气密度，kg/m?；

v为进风口速度，m/s；ΔP为压降。

在系统进风口处分别将风速设置为5 m/s以及10 m/s。通过计算，对于集中式冷却方案蒸发器：

。

对于分体式冷却方案蒸发器：

。

2.2.2 蒸发器仿真模型建立

利用仿真软件建立蒸发器等效模型，如图5所示，并通过一定手段将以上计算得到的蒸发器阻抗特性输入到系统中。为验证所建立等效模型的合理性，利用CFD软件对所建立的模型模拟风洞试验，即在入口处给一定对风速，通过测量进出风口两处压力得到压力差，得到其前后速度及压力分布情况，如图6和图7所示，图8为试验结果。

考虑到蒸发器实际模型较为复杂，故利用CFD软件中散热器模型对其进行简化，散热器底座与翅片分别模拟蒸发器中间芯体与翅片。

图6为利用CFD软件对其建立的风洞模型。当设计蒸发器进口容积风量为100 m3/h，得到速度分布情况，其中最大风速为12.9 m/s。

图7为当设计蒸发器进口容积风量为100 m3/h，得到的压力损失情况。

通过对蒸发器分析可以看出，蒸发器前端压力最大为182 Pa，后端为-67 Pa，故其压力损失为247 Pa。图8为试验测试结果，ΔP为242 Pa，通过对比表明此种简化等效方法是合理的。

3 CFD流体数学模型

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[6]。

连续性方程：

。

式中，为流体密度，kg/m?；ui为流体速度沿i方向的分量。

动量方程：

。

式中，p为静压力，Pa；τij为应力矢量；gi为i方向的重力分量；Fi为由于阻力和能源而引起的其它能源项。

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。

4 网格划分

由于模型内部存在风扇，若全部采用笛卡尔六面体网格可能会导致风扇外形失真，但网格数目会减少，因而风扇采用六面体连续性网格（Unstructured），剩下的面采用笛卡尔六面体网格（Cartesian）。

5 边界条件设定

电池组1C放电电流为60 A，三元电芯内阻为19 mΩ，整个电池组为32并92串，动力电池组总成外壳下底板材料为SPCC（冷轧碳素薄钢板），电池组上盖采用PC（非晶体工程材料），电池组模块固定板材料为丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物板（Acrylonitrile-Butdiene-Styrene，ABS），根据所选风扇输入其P-Q曲线，蒸发器制冷功率为500 W。

6 两种冷却方案仿真结果分析

6.1 集中式冷却方案仿真分析

高温工况，即环境温度为40 ℃，轴流风机位于蒸发器前端，加热器不工作，风机及蒸发器工作，蒸发器制冷功率为500 W，仿真结果如图9和图10所示。

从图9和图10可以看出，在蒸发器制冷功率为500 W时，电池包内局部单体电池仍然有一定的温升，3 600 s时最大温升为9.06 ℃。从整个系统横截面可以看出，电池组中不同位置温度分布温差较大，靠近蒸发器端温度较低，远离蒸发器位置温升较大，电池组内部存在温度分布不均匀的问题。

6.2 分体式冷却方案仿真分析

当采用分体式冷却方案时，蒸发器制冷功率为500 W（左右两侧分别有一个蒸发器，各自功率均为250 W），热仿真结果如图11和图12所示。

由图11和图12可以看出，电池包内局部单体电池3 600 s内最大温升为6.58 ℃。电池组尾部局部温升较大，可以通过改进风道的方式来加以改善，整体温度分布较为均匀。

7 两种冷却方案对比总结

7.1 集中式冷却方案仿真结果总结

通过瞬态仿真分析，获得了电池组内部温度随时间变化的分布情况。

从以上截图可以看出，在环境温度为40 ℃，蒸发器制冷功率为500 W时，电池包内局部单体电池仍然有一定的温升，3 600 s时最大温升为9.06 ℃，不超过55 ℃。但同时可以看出，电池组中不同位置温度差较大。

综上所述，集中式冷却方案在高温工况下冷却性能较差。

7.2 分体式热管理系统仿真结果总结

通过瞬态仿真分析，获得了电池组内部温度随时间变化的分布情况。

从以上截图可以看出，在环境温度为40 ℃，蒸发器制冷功率为500 W，电池1 C放电的情形下，电池包内局部单体电池仍然有一定的温升，3 600 s时最大温升为6.58 ℃，不超过50 ℃。

同时可以看出，整个系统中靠近加热器的后模组部分模组电池温升相对较大，但电池组整体较为平均，故分体式热管理系统基本上解决了集中式热管理系统温差过大的影响，通过改善风道及优化结构实现分体式热管理系统。

8 结论

（1）空调制冷原理运用于电池热管理系统是可行的，能够有效地对电池组进行冷却。

（2）通过阻抗计算分析对蒸发器进行简化是合理的。

（3）利用CFD软件进行热管理系统仿真分析，能够反映电池组温度分布趋势，说明将CFD技术应用于新能源电动汽车电池组热管理系统方案设计是可行的。

（4）蒸发器分体式冷却方案对电池组的冷却效果优于集中式冷却方案。

（5）某纯电动轿车电池组冷却系统为密闭式设计，可在高温环境下对电池组进行有效冷却，避免热失控现象的出现。

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