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電動(dòng)汽車散熱需求分析及電池散熱CFD解決方案詳解

目錄:媒體報(bào)道星級(jí):3星級(jí)人氣:-發(fā)表時(shí)間:2017-06-24 08:52:00
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電池怕水又怕熱,這是大家都知道的,動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的心臟,要耐得了高溫、防得了水、受得住凍。而一旦電動(dòng)汽車出了事,最先想到的就是“心臟”出了問(wèn)題,那在這樣的高溫天氣下,動(dòng)力電池能靜下“心”嗎?

 

汽車電池散熱需求分析

隨著科技的發(fā)展及節(jié)能減排的政策要求,各類交通工具及設(shè)備越來(lái)越多得將電池作為動(dòng)力源。新能源汽車及其他設(shè)備所使用的電池主要分為三大類,即為化學(xué)電池、物理電池以及生物電池。如圖1所示

 

(圖1 汽車用電池分類)

汽車電池的選用,主要根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,如圖2所示。一般混合動(dòng)力汽車(HEV)使用比功率高的電池,而純電動(dòng)汽車(EV)選用比能量高的電池。

 

(圖2 汽車用電池選擇標(biāo)準(zhǔn))

不同類型的電池只有工作在一定溫度范圍內(nèi),才能保證性能和壽命,如鉛酸電池溫度在35~40℃之間,氫鎳電池在0~40℃之間,鋰離子電池在-20~75℃之間。不同溫度下電池的放電效率如圖3所示。 

 

(圖3 不同溫度下電池放電效率)

電池作為電動(dòng)汽車中的主要儲(chǔ)能元件,是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件,直接影響到電動(dòng)汽車的性能。而電池組的熱管理對(duì)于現(xiàn)代電動(dòng)汽車是必需的,原因在于

(1)電動(dòng)汽車電池組會(huì)長(zhǎng)時(shí)間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中,這將縮短電池使用壽命、降低電池性能;

(2)電池箱內(nèi)溫度場(chǎng)的長(zhǎng)久不均勻分布將造成各電池模塊、單體性能的不均衡;

(3)電池組的熱監(jiān)控和熱管理對(duì)整車運(yùn)行安全意義重大。

汽車電池散熱解決方案的選擇

電池種類不同,其生熱的原因有所不同,但主要包括以下4個(gè)方面:電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、過(guò)充電副反應(yīng)生熱、內(nèi)阻焦耳熱。 在確定電池的生熱量后,通過(guò)合理選用冷卻方式及散熱結(jié)構(gòu)即可保證電池的工作溫度。 

 

傳熱介質(zhì)的選擇 

傳熱介質(zhì)的選擇對(duì)電池組工作溫度有很大影響。按照傳熱介質(zhì)分類,電池組冷卻系統(tǒng)可分為空冷、液冷及相變材料冷卻3種方式??諝饫鋮s是最簡(jiǎn)單方式,只需讓空氣流過(guò)電池表面。液體冷卻分為直接接觸和非直接接觸兩種方式。礦物油可作為直接接觸傳熱介質(zhì),水或者防凍液可作為典型的非直接接觸傳熱介質(zhì)。液冷必須通過(guò)水套等換熱設(shè)施才能對(duì)電池進(jìn)行冷卻,這在一定程度上降低了換熱效率。電池壁面和流體介質(zhì)之間的換熱率與流體流動(dòng)的形態(tài)、流速、流體密度和流體熱傳導(dǎo)率等因素相關(guān)。 

 

散熱結(jié)構(gòu)的選擇 

電池箱內(nèi)不同電池模塊之間的溫度差異,會(huì)加劇電池內(nèi)阻和容量的不一致性,如果長(zhǎng)時(shí)間積累,會(huì)造成部分電池過(guò)充電或者過(guò)放電,進(jìn)而影響電池的壽命與性能,并造成安全隱患。電池箱內(nèi)電池模塊的溫度差異與電池組布置有很大關(guān)系,一般情況下,中間位置的電池容易積累熱量,邊緣的電池散熱條件要好些。所以在進(jìn)行電池組結(jié)構(gòu)布置和散熱設(shè)計(jì)時(shí),要盡量保證電池組散熱的均勻性。以空冷散熱為例來(lái),通風(fēng)方式一般有串行和并行兩種,如圖4和圖5所示。

 

(圖4 串行通風(fēng)示意圖)

 

(圖5 并行通風(fēng)示意圖)

圖4所示串行通風(fēng)方式下,冷空氣從左側(cè)吹人從右側(cè)吹出。空氣在流動(dòng)過(guò)程中不斷地被加熱,所以右側(cè)的冷卻效果比左側(cè)要差,電池箱內(nèi)電池組溫度從左到右依次升高。第一代豐田Prius和本田Insight都采取了串行通風(fēng)方式。 

圖5所示,并行通風(fēng)方式使得空氣流量在電池模塊間更均勻地分布。并行通風(fēng)方式需要對(duì)進(jìn)排氣通道,電池布置位置進(jìn)行很好地設(shè)計(jì)。豐田新Prius采用的就是并行通風(fēng)結(jié)構(gòu),其楔形的進(jìn)排氣通道使得不同模塊間縫隙上下的壓力差基本保持一致,確保了吹過(guò)不同電池模塊的空氣流量的一致性,從而保證了電池組溫度場(chǎng)分布的一致性。 

從提高電池組工作性能角度來(lái)看,并行通風(fēng)方式優(yōu)于串行通風(fēng)方式,在熱管理系統(tǒng)中更為常用。 

 

某HEV電池組CFD散熱解決方案案例分析 

混合動(dòng)力汽車的性能受制于電池組的性能,而電池組的性能與溫度密切相關(guān)?;旌蟿?dòng)力汽車用鎳氫電池散熱系統(tǒng)的目標(biāo)為:將電池的工作溫度控制在其最佳范圍20 ℃~40 ℃,模塊間的溫差在5 ℃以下。 

重點(diǎn)考慮電池包風(fēng)道的不同布置,對(duì)電池包散熱系統(tǒng)的影響。同側(cè)風(fēng)道方案是指電池模組順序排列配置在電池箱體內(nèi),外部進(jìn)入的冷卻氣流從電池包一側(cè)進(jìn)入,通過(guò)內(nèi)部風(fēng)道進(jìn)入電池模組之間的縫隙,最后在與進(jìn)風(fēng)道同側(cè)位置的出風(fēng)道處將氣體排出。異側(cè)風(fēng)道方案是指電池模組順序排列配置在電池箱體內(nèi),外部進(jìn)入的冷卻氣流從電池包一側(cè),通過(guò)內(nèi)部風(fēng)道進(jìn)入電池模組之間的縫隙,最后在與進(jìn)風(fēng)道相反方向位置的出風(fēng)道處將氣體排出。

 

(電池組示意圖)

 

(同側(cè)風(fēng)道方案)

 

(異側(cè)風(fēng)道方案)

 

CFD仿真結(jié)果

 

(同側(cè)風(fēng)道流線圖)

 

(異側(cè)風(fēng)道流線圖)

同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案,空氣從進(jìn)氣管進(jìn)入到電池組底部,到達(dá)右方后回流至左側(cè),這種回流現(xiàn)象將導(dǎo)致熱循環(huán),不利于電池上下部散熱。相對(duì)于同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案,異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案氣流從左側(cè)進(jìn)口進(jìn)入到電池組底部,直接到達(dá)右方,能夠減小電池?zé)嵫h(huán)程度,有利于降低電池上部的最高溫度;異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道底部流場(chǎng)流速分布更加均勻。

 

(同側(cè)風(fēng)道速度云圖)

 

(異側(cè)風(fēng)道速度云圖)

從上述兩組圖中可知,同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案電池表面氣流最高速度與最低速度相差較大,可能導(dǎo)致電池表面散熱不均、溫升較大,影響電池性能;異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案提高電池左側(cè)氣流流速,有利于電池左側(cè)上部散熱。與同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案相比較,異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案電池表面氣流速度分布均勻,方案較優(yōu)。 

通過(guò)流場(chǎng)分析,沿模塊軸向速流情況基本是均勻的,但是由于電池工作時(shí),電池內(nèi)部溫度不斷上升。氣流從進(jìn)口到出口溫度逐漸升高,使上游電池的散熱條件要優(yōu)于下游電池。故建議盡量減小下游風(fēng)道的面積,使下游的流速增大,提高電池內(nèi)部流速,帶走內(nèi)部熱量。 

 

仿真結(jié)果驗(yàn)證 

同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案試驗(yàn)溫度為11℃,恒溫放置1天。異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案試驗(yàn)溫度為22℃,恒溫放置1 天。試驗(yàn)開(kāi)始,采用試驗(yàn)計(jì)劃方案進(jìn)行試驗(yàn),當(dāng)電池包溫度達(dá)到30℃時(shí),電池包風(fēng)扇開(kāi)始啟動(dòng)。 

 

電池包內(nèi),放置36 個(gè)溫度傳感器對(duì)電池包內(nèi)模塊進(jìn)行溫度采集,按照電池組示意圖位置所示,從左到右的溫度傳感器排列順序依次為1、2、3 等數(shù)字遞增。要求電池在SOC 30%—70%區(qū)間運(yùn)行,通過(guò)對(duì)電池包不間斷的進(jìn)行恒電流充電,恒電流放電持續(xù)測(cè)試。電池單體上的測(cè)溫點(diǎn)下圖所示,方案一為同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案,方案二為異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案。

 

(兩種方案溫度分布對(duì)比)

溫度試驗(yàn)證明,異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案對(duì)于電池內(nèi)部散熱系統(tǒng)較好,分布比同道方案更加均勻。 

由于電池試驗(yàn)溫差沒(méi)有達(dá)到 5℃要求要求,后期可以考慮改進(jìn)內(nèi)部排布,增加導(dǎo)流板、設(shè)計(jì)適合于平行流的風(fēng)道,利用駕駛室排除的空氣,減小下游風(fēng)道的面積等手段,減小電池包內(nèi)溫差,達(dá)到模塊間溫度的均勻性。

 

 
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