电动车动力电源的热特性分析和结构设计

文 /袁婕 陈伟 徐晓明

一、前言

发展节能与新能源汽车是我国汽车产业发展的重要战略，也是实现交通节能减排的重要举措。随着国家不断出台促进新能源汽车发展的优惠政策，国内主要汽车企业都开展了新能源汽车的研究开发和制造，重点发展混合动力客车且已经在国内多个城市运行。

混合动力客车作为交通工具，其安全性能也成为大众关心的热点问题。动力电源系统是混合动力客车的核心部件，动力电池在使用过程中会发生化学反应，进而产生一定热量，若热量过于聚集，则可能会引起爆炸和燃烧。因此对动力电源系统的散热性能进行分析具有重大的研究意义。

二、研究思路

文章主要是针对某种电源系统的散热性能进行有限元仿真分析，研究其在不同风量下的流场及温度场分布情况，并通过合理的结构设计提高动力电源系统的散热性能，从而进一步提高动力电源系统的安全性能。

1. 电源系统的配置和结构简介

采用180只42Ah锂离子电池串联成一套576V动力电源系统。该动力电源系统采用2个电池包的结构形式，每个电池包有6组15串42Ah锂离子电池、2只风扇及管理系统组成。6组电池模块等间距分布，单体电池之间采用绝缘格栅隔开，每只电池单面被绝缘格栅遮挡面积百分比为4×10/130=30%，即格栅宽度方向上遮挡40mm（绝缘格栅宽度为133.5mm）。

图1 电源系统箱体（a）和电池单体间绝缘格栅（b）的三维图

2. 物理和热力学参数

图2 风扇风压与流量曲线

表1 试验实测的电池和引用的数据

表2 锂离子电池其他材料的热物性参数

3. 电源系统的网格模型和简介

空气从底部的六个圆形进风口进入，分别对应于六个模块下部，采用并行进风方式，从下部进入，而后从电池间隙由下而上流出，最终被风机带出系统外部。其进风口如图3所示：

图3 电池组系统的进风口

4. 仿真边界条件

由于低雷诺数的标准的K-ε湍流模型能提供流动的真实情况，尤其适合于计算通道中的湍流流动，计算时采用该模型。

（1）进风口：1.8m3/min；2.0m3/min

（2）出风口：压力出口

（3）热源：电芯（发热量根据提供温升数据获得）

（4）环境温度：25℃

（5）进风口温度：25℃

5. 动力电源系统的流场和温度场分析

（1）风量为1.8m3/min时的结果

采用1C充放电循环的试验条件，其温度场分布如图4所示：

系统的最高温度为：46.1℃，温升为21.1℃，最大温差为：7.8℃。图中可以看出：温度的分布是呈模块两端不均匀分布，这与底部流道的倾斜度是有着直接关联的，而模块间的温度分布的一致性还是较好的，这说明在不同模块的同一截面温度差异是较小的。

其流场分布如图5所示：

图4 电池组系统温度场分布

图5 电池组系统流场分布

流场分布显示：进风口对应的底部界面，其流速较为一致，但是在空气沿电池间隙向上的过程中，流速较小，这对带走电池表面的热量是不利的，这部分的风道需要继续优化。

（2）风量为2m3/min时的结果

采用1C充放电循环的试验条件，其温度场分布如图6所示：

图6 电源系统温度场分布

系统的最高温度为：42.2℃，温升为17.2℃，最大温差为：7.6℃。该分布图与流量为1.8m3/min时是相似的，但是高温区域有所减小。

其流场分布与流量为1.8m3/min时一致。

三、仿真分析结果

表3 不同流量的仿真结果对比

不同风量的结果显示：增加流量可以降低系统的最高温度，同时会影响到电池的温差。另外，在保证系统最高温度满足要求的情况下，尽量不要增加额外的动力消耗，对风机的选型也会加大难度。

四、结论和建议

1. 结论

（1）本电源结构的电池散热能力可以满足维持在推荐的工作温度范围内，即快充时电池的温升须小于25℃的经验限制要求。

（2）半仿真电源系统验证在1C充电放电循环时、无风扇敞开检测条件下，电池的最高温度≤45℃，整体温差D5～D7℃。

2. 建议

（1）调整底部风道的倾斜角度的大小，优化风道；

（2）加大电池间的间隙；

（3）根据散热量计算系统所需风量合理选用风机