宋亞豪，谷正氣,2，石佳琦

(1. 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 株州 412007；2. 湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

引 言

電池包作為電動(dòng)汽車的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，其工作溫度過(guò)高或過(guò)低，各電池模塊及單體電池間溫差較大，不僅不利于電池性能的發(fā)揮，還會(huì)加快電池性能的衰減速度，縮短電池的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成熱失控，影響電池組的安全性和可靠性。有研究表明，磷酸鐵鋰電池的最佳工作溫度區(qū)間為18 ℃～43 ℃，電池組溫差在5 ℃內(nèi)，且在30 ℃時(shí)，放電效率高達(dá)90%，此時(shí)性能達(dá)到最優(yōu)[1]。為了讓電池包在最佳的溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，文獻(xiàn)[2]建立了二維鋰離子聚合物電池內(nèi)部3種細(xì)分結(jié)構(gòu)模型，分析了不同結(jié)構(gòu)下電池的熱性能并提出了改進(jìn)措施，同時(shí)建立了恒流放電條件下的二維與三維動(dòng)力電池?zé)崮Ｐ蚚3-4]。文獻(xiàn)[5-7]對(duì)電動(dòng)汽車電池單元模塊、電池包從系統(tǒng)熱管理角度進(jìn)行了散熱研究。文獻(xiàn)[8]對(duì)比分析了串行與并行通風(fēng)冷卻效果，指出并行通風(fēng)方式優(yōu)于串行，實(shí)際應(yīng)用中也更為常用。文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)MH/Ni電池包外殼加設(shè)高翅化比鋁套，增大散熱結(jié)構(gòu)面積，使得電池包表面溫度降低2 ℃～4 ℃。文獻(xiàn)[10]研究了電池包出風(fēng)口位置對(duì)其散熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)將出風(fēng)口設(shè)置在電池箱底部時(shí)，能夠有效降低電池溫度，并且使溫度均衡性得到改善。文獻(xiàn)[11]研究了一種新型相變材料/風(fēng)冷綜合熱管理，其性能優(yōu)于純風(fēng)冷系統(tǒng)。

以上研究表明，結(jié)合CFD仿真和實(shí)驗(yàn)方法，改進(jìn)電池包內(nèi)部冷卻氣流出入口和風(fēng)道的位置、形狀、大小、結(jié)構(gòu)以及電池單元排列方式，多種冷卻方式相結(jié)合，均可對(duì)電池包的散熱與保溫性能有較大改善效果。然而，在CFD仿真研究中，當(dāng)前大部分研究?jī)H考慮了電池自身的生熱，沒(méi)有考慮到外部環(huán)境因素對(duì)電池組溫度的影響，如太陽(yáng)輻射、地面輻射等；同時(shí)，研究中未考慮電池包布置位置對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響。

當(dāng)前全球變暖，極端氣候頻現(xiàn)，夏季高強(qiáng)度的熱輻射使得城市路面溫度高達(dá)60 ℃～70 ℃[12]，遠(yuǎn)超電池的最佳工作溫度范圍，因此，熱輻射對(duì)電池包散熱的影響將不容忽視。

本文以某款實(shí)際在用的后置式純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，對(duì)同一型號(hào)且單體電池個(gè)數(shù)相同的磷酸鐵鋰離子電池在高溫工況下，考慮地面輻射和太陽(yáng)輻射環(huán)境影響因素，進(jìn)行數(shù)值仿真研究，并開(kāi)展實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上對(duì)電池包前置、中置和后置3種布置位置的整車氣動(dòng)阻力進(jìn)行了對(duì)比分析，以阻力最小的前置式電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，開(kāi)展電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究，以提高其散熱性能。

1 仿真實(shí)驗(yàn)

1.1 電池模型

常見(jiàn)電池包的三維數(shù)字模型如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車及其電池包3D模型

以圖1(c)為例進(jìn)行模擬仿真，電池包布置在備胎槽中，底部部分裸露在空氣中，可以通過(guò)底部的氣流實(shí)現(xiàn)較好的空氣散熱。單體電池成組放置，組間距為20 mm，單體間距10 mm，電池單體距電池包壁面10 mm，封裝在立方箱體內(nèi)。此電池包電池單體數(shù)量較多，且正負(fù)極柱的生熱量可忽略[13]。

1.2 太陽(yáng)輻射與地面輻射

1.2.1 太陽(yáng)輻射

目前CFD仿真中太陽(yáng)輻射普適性較強(qiáng)的模型為包含水平地面月平均太陽(yáng)總輻射因素的日照類模型，最初的日照類模型由文獻(xiàn)[14]于1923年提出，經(jīng)過(guò)Angstrom與Page等人修正改進(jìn)后，用于CFD計(jì)算的水平面總太陽(yáng)輻射模型如下[15]：

(1)

1.2.2 地面輻射

夏季溫度高，車輛正常行駛吸收的熱量主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射、天空散射、大氣逆輻射、路面輻射和對(duì)流換熱，車身表面熱量釋放主要通過(guò)反射輻射和對(duì)流換熱進(jìn)行，計(jì)及熱輻射的車身熱交換可由式(2)表示，換熱量的單位為W。

Q=(1-α)(Qs+Qd+Qa+Qg)-Qc±Qh

(2)

式中：Q為車身表面單元的換熱量；α為車身對(duì)熱輻射的反射率；Qs為太陽(yáng)對(duì)車身的直接太陽(yáng)輻射熱量；Qd為天空對(duì)車身的天空散射輻射熱量；Qa為大氣對(duì)車身的大氣逆輻射熱量；Qg為路面對(duì)車身的路面輻射熱量；Qc為車身對(duì)外輻射熱量；Qh為車身與外界的對(duì)流換熱熱量。

1.3 湍流模型與電池溫度場(chǎng)

由于可實(shí)現(xiàn)k-ε模型能更準(zhǔn)確地模擬有邊界層和氣流分離的三維流動(dòng)，因此已被廣泛應(yīng)用于汽車車身外流場(chǎng)分析研究中[16]。本文以ANSYS-Fluent 14.0為求解器，按100 km/h的速度行駛，計(jì)算域和求解邊界條件按照文獻(xiàn)[17]設(shè)置。此時(shí)，電池以1C的標(biāo)準(zhǔn)放電倍率放電，環(huán)境溫度為38 ℃。太陽(yáng)輻射采用離散坐標(biāo)系(Discrete Ordinates, DO)輻射模型，模擬太陽(yáng)輻射傳熱過(guò)程需要設(shè)置計(jì)算區(qū)域經(jīng)緯度、時(shí)區(qū)、日期和時(shí)間等參數(shù)。為和后繼道路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一致，仿真中測(cè)試地區(qū)以湖南株洲市區(qū)為例，經(jīng)緯度分別為東經(jīng)113.16°和北緯27.83°，時(shí)區(qū)為東八區(qū)。根據(jù)氣象文獻(xiàn)資料，大暑節(jié)氣為7月份，15點(diǎn)左右為一年中最熱的時(shí)間，此時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度約為750 W/m2。當(dāng)激活輻射模型后，F(xiàn)luent將自動(dòng)激活能量方程的計(jì)算。路面材質(zhì)定義為瀝青路面，其密度為2445kg/m3，比熱容為1 300 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.7 W/(m·K)[18]。在仿真中，采用Mixed混合傳熱模型(對(duì)流、傳導(dǎo)和外部輻射組合模型)；電池表面設(shè)置為鋁材料，汽車和電池包為鋼鐵材料，并設(shè)置相應(yīng)的傳熱系數(shù)、自由流溫度、外部輻射率等參數(shù)。

采用壓力速度耦合SIMPLE算法，二階迎風(fēng)格式。計(jì)算收斂后，得到在該結(jié)構(gòu)布置下，整車氣動(dòng)阻力系數(shù)為0.371 6，電池組表面溫度場(chǎng)如圖2所示。電池組最高溫度為57.0 ℃，最低溫度為39.0 ℃，單體電池間最大溫差為18.0 ℃，最低溫度區(qū)域主要分布在靠近入風(fēng)口處的電池組表面，而在遠(yuǎn)離電池包入風(fēng)口的若干個(gè)電池單體處，出現(xiàn)了局部高溫現(xiàn)象，說(shuō)明這種電池包的設(shè)計(jì)存在問(wèn)題。

圖2 電池組溫度場(chǎng)

2 實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證數(shù)值仿真的可靠性，開(kāi)展該后置式電動(dòng)汽車的電池包發(fā)熱的道路實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

本次試驗(yàn)所用設(shè)備如圖3所示。

圖3中逆變器將12 V車載直流電轉(zhuǎn)換為220 V交流電；溫度傳感器貼片粘貼在電池包表面并連接至數(shù)據(jù)采集儀，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀讀取電池包表面溫度。

圖3 實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

對(duì)怠速與高速兩種工況進(jìn)行實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)，時(shí)間為7月份某晴天13點(diǎn)～15點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

1)怠速工況：車速0 km/h，電池包散熱風(fēng)扇啟動(dòng)，抽吸空氣實(shí)現(xiàn)電池包內(nèi)部空氣散熱，分別記錄16個(gè)采樣點(diǎn)溫度，每10 s記錄一次，采集5組溫度后求平均值。

2)高速工況：車速110 km/h，每5 s記錄一次讀數(shù)，受限于道路長(zhǎng)度和實(shí)驗(yàn)安全性，采集3組溫度后求平均值。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

怠速與高速工況下，采樣點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)如圖4所示。高速工況下電池包表面溫度普遍比怠速工況下低，這是因?yàn)榈∷俟r下，進(jìn)入電池包的冷卻空氣較少，冷卻空氣的流速與流量偏低，而車輛在高速行駛時(shí)，由于電池包下部裸露在空氣中，高速氣流對(duì)電池包表面具有較好的散熱作用。

圖4 溫度對(duì)比折線圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，遠(yuǎn)離入風(fēng)口的電池包表面溫度高于邊緣電池的溫度，這與本文仿真得出的電池組溫度分布趨勢(shì)一致，說(shuō)明仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度較高。

3 電池包不同布置下整車氣動(dòng)阻力評(píng)價(jià)

純電動(dòng)汽車電池包不同的布置位置，會(huì)導(dǎo)致整車氣動(dòng)阻力變化，也會(huì)影響到其自身的散熱方式和效果。因此，在車型和電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變的條件下，采用最低整車氣動(dòng)阻力的布置方式，將有效提高電池的續(xù)航能力。從電池包布置位置對(duì)整車氣動(dòng)阻力影響角度出發(fā)，評(píng)價(jià)后置、前置、中置3種布置位置的氣動(dòng)特性和散熱特性。

3.1 不同位置的外流場(chǎng)對(duì)比

如圖1(a)、1(b)所示，將電池包放置在前艙和車身底部的中部位置，形成前置式和中置式的布置結(jié)構(gòu)。

不考慮電池組的生熱和熱輻射，使用可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型分別對(duì)前置、中置與后置3種工況進(jìn)行外流場(chǎng)計(jì)算，入口風(fēng)速設(shè)定為30 m/s，計(jì)算得到各布置工況阻力系數(shù)Cd如表1所示。其中，前置工況阻力系數(shù)值最小，后置工況最大，而中置工況介于兩者之間。故選擇阻力最小的前置式電動(dòng)汽車為研究對(duì)象。

表1 阻力系數(shù)對(duì)比

圖5為3種布置工況下汽車尾部三維流線圖。圖5(a)與5(c)分別為前置和后置時(shí)的尾部流線圖，可以看出尾部形成了兩個(gè)大小基本一致且相互對(duì)稱的完整的馬蹄渦。圖5(b)為中置方式，尾部形成兩個(gè)不完整的馬蹄渦，這是因?yàn)殡姵匕胖迷诘妆P，底盤離地距離減小，導(dǎo)致氣流速度提高，減少了底盤氣流向上的卷繞運(yùn)動(dòng)，抑制了馬蹄渦的形成。

圖5 尾部二維流線圖

3.2 前置式電池組溫度場(chǎng)分析

對(duì)前置式電池包進(jìn)行仿真計(jì)算，具體設(shè)置與1.3節(jié)相同，冷卻方式為自然風(fēng)冷。仿真計(jì)算后的電池組溫度分布云圖如圖6所示。

圖6 電池組高溫工況下的溫度場(chǎng)

由圖6可以看出，高溫工況下，電池組最高溫度為59.2 ℃，最低溫度為49.8 ℃，最大溫升21.2 ℃，電池單體間最大溫差為9.4 ℃。電池組由于熱量累積效應(yīng)，高溫區(qū)域集中在電池組中部，溫度分布不均勻，電池單體間溫差大，散熱性能不佳，影響電池續(xù)航能力和使用壽命。

3.3 高溫工況散熱性能改進(jìn)

改進(jìn)方案如圖7所示。在電池包迎風(fēng)面開(kāi)設(shè)進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口高度與電池包高度一致，寬度為10 mm，其位置與電池單體間排列縫隙對(duì)齊。出風(fēng)口設(shè)置在電池包的背風(fēng)面，其尺寸與進(jìn)風(fēng)口一致，位置與進(jìn)風(fēng)口對(duì)齊。由于來(lái)流方向平行于X軸，電池組在Y方向上屬于并行通風(fēng)方式，而在X方向上則屬于串行通風(fēng)方式，熱量在該方向上的后排電池處累積較為嚴(yán)重，因此，為了進(jìn)一步降低溫度，使電池處于最佳工作溫度，在電池包兩側(cè)靠近出口處分別加裝兩個(gè)直徑為120 mm的風(fēng)扇，為了更好地展示電池包結(jié)構(gòu)，圖中已將部分電池隱藏。

圖7 強(qiáng)制風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用強(qiáng)制風(fēng)冷后，前艙內(nèi)流場(chǎng)與電池組溫度場(chǎng)如圖8所示。電池包周圍渦旋的尺度明顯減小，氣流更加順暢，電池包內(nèi)的熱環(huán)境及電池組的溫度均勻性得到顯著改善，具體溫度情況和改善前后對(duì)比見(jiàn)表2。

表2改進(jìn)前后溫度對(duì)比℃

參數(shù)自然冷強(qiáng)冷降幅最高溫度59.2544.7514.5最低溫度50.3538.8511.5溫差8.905.90—

圖8 強(qiáng)制風(fēng)冷措施下的流場(chǎng)圖

以上分析計(jì)算表明，純電動(dòng)車在夏季高溫工況下行駛，電池包前艙放置時(shí)，由于單體電池?cái)?shù)量較多導(dǎo)致生熱量大，電池包內(nèi)熱量累積嚴(yán)重，不利于電池組發(fā)揮良好性能。通過(guò)合理安排散熱風(fēng)扇位置與設(shè)計(jì)電池包結(jié)構(gòu)的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，運(yùn)用強(qiáng)制風(fēng)冷方式可以使電池組在適宜的溫度區(qū)間內(nèi)工作，改善了單體間溫度均勻性，延長(zhǎng)了電池的使用壽命，提高了電池的續(xù)航能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)實(shí)車車型的電池包在高溫輻射下的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析研究，并與實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)也證明了原車型電池包設(shè)計(jì)存在缺陷。

將電池包放置在前艙、底盤和備胎槽中3個(gè)位置的整車氣動(dòng)阻力的仿真結(jié)果對(duì)比表明，放置在前艙時(shí)，整車的氣動(dòng)阻力系數(shù)最小，并以此為基礎(chǔ)，研究分析在自然冷卻方式下電池包的溫度分布情況。

最后對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后電池組表面高溫區(qū)域面積明顯減小，最高溫度顯著降低，降幅為14.5 ℃，最低溫度降幅為11.5 ℃，同時(shí)也改善了單體電池間的溫度不均勻性。