用 Icepak 软件分析并验证某纯电动轿车电池组热管理系统

2017-06-06 by:CAE仿真在线来源:互联网

高度有效的热管理系统能够有效控制电池组的工作温度范围,对于保证电池组的电性能、均一性和安全性具有重要作用,因此是新能源汽车发展的重要技术环节。选择某纯电动轿车用电池组的热管理系统为对象,利用Icepak软件对其进行了计算流体动力学(Com putationalFluid Dynam ics,CFD)仿真分析。仿真分析与实测数据的对比结果表明,Icepak 能够有效模拟电池组的温度场及流场,可以作为一种温度试验仿真技术用于电池组的热管理设计与优化。

汽车的发展不仅推动了现代社会的进步,而且促进了地区之间的交流,但同时也带来了环境污染及能源消耗问题。以电动汽车为代表的新能源汽车将是解决汽车工业可持续发展问题的重要途径之一。动力电池作为电动汽车的关键零部件,直接影响着电动汽车产业化的进程。因此,针对动力电池的热管理系统研究是十分必要与迫切的。

设计性能良好的电池组热管理系统,要采用系统化的设计方法。很多研究文献都介绍了各自设计的热管理方法,因此,在储能系统电池组应用中,还需要对电池进行热管理设计。但真实的电池组热环境是极其复杂的,依靠传统理论的手动计算或经验估计,已经无法满足对产品研发的需求,因此需要借助成熟的CFD技术来完善对电池组热特性的准确评估与分析,合理优化改善电池组内部热环境,提高其可靠性。

Icepak热分析软件可以解决各种不同尺度级别热模型,或者几何尺寸细长比比较小的热模型散热问题,同时提供了电池包热仿真需要的风扇风机模型(可输入P-Q曲线)、导流板模型、快速提取风管模型、电池包壳单元模型,因此Icepak可以快速建立电池包几何建模、同时具有丰富的网格类型、网格质量评价工具,其计算求解精度高且稳定,并具有丰富的后处理功能。

1电动汽车热管理系统的必要性

电动汽车电池组温度不均会导致锂电池容量分布不均,缩短整体电池组使用寿命,降低整车性能。通过设计高效的热管理系统不仅能够使电动车电池组工作处于合理的温度的工作区间,而且可以排除由于热失控而产生的一系列潜在的危险。

当电池组的工作温度超过合适温度需要对电池进行散热,保证电池组温度场分布均匀;当环境温度过低时需要对电池组进行快速加热,使电池组能够正常工作。

2电池组热管理仿真分析‍

2.1热管理系统分析

电池热管理系统主要包括高温冷却和低温加热功能。热管理高温冷却方式主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却;热管理低温加热方式主要有电池内部加热法和电池外部加热法。

某纯电动轿车热管理系统高温冷却方式采用空气冷却,布置在整车后座椅下方的后座椅电池组前端设计通风口且与乘员舱相通,前后电池组中间安装两个金属风管,利用后备厢尾部抽风机总成抽取乘员舱内的空调风对电池组进行冷却。在环境温度过低情况下,前电池组内部设置有加热器,利用加热器上部设置的风扇以及后备厢风机对加热器进行强迫对流来达到加热的目的。

2.2电池系统模型建立

某电动车电池组利用Icepak软件进行自建模及复杂模型导入两种方式建立电池组模型,其中主要部件包括电池组外壳、电池单体、电池模组、加热器、轴流风扇、离心风机等。为了保证分析结果精度,需要考虑模组内单体电池之间的间隙,建立模型如图1 和图2 所示。

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2.3边界条件的设定

电池组热管理仿真分析工况主要包括高温冷却及低温加热的仿真模拟。动力电池组采用 1C 放电倍率(假如电池总成容量50Ah,那么在充满电的情况下,1C指50A电流1h放电结束;2C指100A电流2h放电结束),外壳材料为SPCC;电池单体功率为 0.08 W ,材料为不锈钢;电池组内部模组固定板的材料为 ABS板;加热器材料为铝,功率为 800 W ,根据所选的风扇类型输入相应P-Q 曲线。

电池组高温冷却环境温度为 40 ℃,前电池组进风口位置温度为 19 ℃,采用1C 放电。低温加热环境温度为 -10 ℃,利用前电池组的加热器对电池组进行加热,利用外接电源通过DC/DC启动加热器工作,在此过程电池组处于不放电状态。

2.4网格划分

根据建立的动力电池组几何模型,使用六面体网格、多级网格、局部加密网格,划分出高质量的网格,划分的网格如图3 和图4 所示。

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3仿真结果分析

3.1电池组高温冷却稳态分析

利用电池组稳态分析结果可以发现电池组的温度分布趋势,对电池组成组设计及改进起到重要作用。由图5 中的电池组内部迹线分布可以看出,前电池组中间位置出现流体区域分布不均,后电池右侧区域出现流体分布不均。

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从图6、图 7 、图8所示电池组高温冷却温度分布可以发现,迹线分析是合理的,电池组在流体区域不均匀区域的温度较其它区域高。

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3.2 电池组高温冷却瞬态分析

电池组稳态分析可以发现电池组温度分布趋势。电动车电池组容量有限,故对电池组进行瞬态分析与实际情况接近并能够利用试验验证仿真分析的合理性。电池组高温冷却瞬态分析结果如图 9 和图10 所示。

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通过对电池组进行瞬态分析,电池组在 1C 放电1 h 最大温差为7.1 ℃,最高温度为37.2 ℃,满足热管理高温冷却要求。

3.3 电池组低温加热稳态分析

在环境温度较低情况下对电池进行充电不仅给电池带来损害而且还会带来安全隐患,因而在对电池进行充电之前需要将电池组的最低温度加热到合理工作温度区域。

从图 11 ~14 分析结果可知,电池组在利用加热器对电池组进行加热达到稳态时最高温度为14 ℃,最大温差为 9.7 ℃,由于后电池组左右不对称导致局部温度较高。

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3.4 电池组低温加热瞬态分析结果

利用加热器对电池组进行加热,瞬态分析结果如图15 和图16 所示。

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通过对电池组进行瞬态分析,电池组在 1C 放电1 h 最大温差为 12.2 ℃,且最高温度为 6.3 ℃,满足热管理低温加热要求。

4试验验证

将整车放置于环境仓内,并将环境温度设置为电池组仿真时极限温度,如图17所示。

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高温冷却时保持 1C 放电,并开启空调;低温加热时将整车连上电源。通过对整车电池组内部温度传感器进行监控得到热管理试验数据,见表1~4。

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通过对表 1 和表2 的数据进行分析可以得出,环境温度为40 ℃,1C 放电电池组最高温度为34 ℃,温差为3℃,与仿真数据最高相差1.7℃,差距较小。通过对表 3 和表4 的数据进行分析可以得出,环境温度为 -10 ℃,整车电池组处于不放电状态,加热1 h,电池组最高温度为 5 ℃,温差为 8 ℃,试验数据与仿真数据最大误差为 5 ℃,考虑低温加热时加热器的辐射角度系数的不确定性,导致仿真结果与试验结果误差比高温冷却时的大。

5结论

(1)设计电池组热管理系统应采用系统化的设计方法,性能优良的热管理系统一般应是多次仿真优化改进的成果。

(2)空气冷却方式仍然是目前主要采用的方法,实现方式简单,但冷却的效果不佳。

(3)某纯电动轿车电池组热管理系统设计较为合理、成本低,满足用户使用需求。

(4)电池热模型研究是电池热管理设计过程中重要组成部分,直接影响到热管理系统仿真结果。

(5)利用 Icepak 软件进行热管理仿真分析,能够反映电池组温度分布趋势,且分析结果与试验数据差距较小,说明Icepak应用于新能源电动车电池组仿真分析是可行的。

(6)利用Icepak软件仿真结果对温度传感器布置的数目及位置起到指导作用。

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