師占雨等

摘要：本文使用PowerFlow軟件對(duì)電動(dòng)卡車風(fēng)冷電池艙進(jìn)行了流場(chǎng)仿真分析，得到原方案設(shè)在主風(fēng)道內(nèi)部形成了渦流，造成了大量的能量損失，導(dǎo)致風(fēng)道內(nèi)冷卻氣流流速迅速降低，風(fēng)道設(shè)計(jì)不合理對(duì)電池的冷卻效果不佳。根據(jù)仿真流場(chǎng)結(jié)果對(duì)風(fēng)冷電池艙進(jìn)行了優(yōu)化，得到了風(fēng)量分配更均勻，且風(fēng)道內(nèi)能量損失少的優(yōu)化模型。

關(guān)鍵詞：電池艙；風(fēng)冷；電動(dòng)卡車

中圖分類號(hào)：U463.63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文童編號(hào)：1005-2550（2018）01-0020-04

1引言

新能源純電動(dòng)汽車具有環(huán)保、能源利用率高、低噪聲、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、經(jīng)久耐用等特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。現(xiàn)今采用的電池多為化學(xué)電池，受溫度的變化較敏感，而且電池艙一般較小，電池艙內(nèi)電池緊密的排列在一起，如果電池艙的散熱性能不好，隨著時(shí)間的積累，電池艙內(nèi)環(huán)境溫度會(huì)顯著增高，容易發(fā)生事故或?qū)е码姵貕勖蟠蠼档汀?/p>

國(guó)外學(xué)者對(duì)車用動(dòng)力電池的熱管理技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并取得了很多成果，AhmadA.Pesaran在1999年總結(jié)歸納了電池?zé)峁芾淼囊话惴椒ǎ?008年Rami Sabbah等以鋰離子動(dòng)力電池為研究對(duì)象，對(duì)比了風(fēng)冷和相變制冷兩種散熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)；2009年Debashis hosh等、Jarret A等分別運(yùn)用CFD的方法對(duì)電池組的熱性能進(jìn)行了分析；2012年美國(guó)的Giuliano M R，等設(shè)計(jì)了一種風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，研究了電池組在該系統(tǒng)下的散熱性能，研究表明：風(fēng)冷散熱方案是可行的。

由于電池艙的流場(chǎng)的分布對(duì)電池組的散熱有極為重大的影響，所以傳熱介質(zhì)的流場(chǎng)設(shè)計(jì)是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。本文使用PowerFlow仿真軟件，針對(duì)電動(dòng)卡車電池艙進(jìn)行流場(chǎng)仿真和風(fēng)道優(yōu)化得到滿足要求的風(fēng)道結(jié)構(gòu)。

2設(shè)計(jì)思路及仿真可行性分析

2.1設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)階段電動(dòng)汽車面臨的最大的挑戰(zhàn)就是續(xù)航里程，減少冷卻電池艙的能量消耗對(duì)提高車輛的續(xù)航里程有很大的幫助。考慮到進(jìn)行冷卻時(shí)，冷卻氣流流經(jīng)電池后溫度仍較環(huán)境溫度低，如果將冷卻氣流直接排出電池艙，是對(duì)能源的浪費(fèi)，因此本文提出的兩種方案均為內(nèi)循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)。另一方面內(nèi)循環(huán)工況下，冷卻空調(diào)在進(jìn)行工作時(shí)，主動(dòng)進(jìn)風(fēng)和主動(dòng)出風(fēng)均會(huì)對(duì)冷卻氣流進(jìn)行加速，提高冷卻效果。

2.2可行性分析

電池艙的熱管理仿真計(jì)算是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的耦合問(wèn)題，由于缺少電池模型及發(fā)熱參數(shù)等，不能進(jìn)行耦合計(jì)算。由于電池艙內(nèi)溫差一般控制在較小范圍之內(nèi)，本文主要關(guān)注的是電池艙風(fēng)道的設(shè)計(jì)，因此可以忽略溫度場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的影響，僅考慮流場(chǎng)分析，通過(guò)合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)使各風(fēng)道流量分配均勻，且保證各電池表面的風(fēng)速均勻分布。

2.3算法介紹

格子Boltzmann方法經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)被成功的應(yīng)用到多孔介質(zhì)流、粒子懸浮流、多相流、粘彈流等諸多領(lǐng)域。格子Boltzmann系統(tǒng)的宏觀表象基本滿足N-S本構(gòu)方程，因此可以使用LBM方法代替求解N-S方程。

標(biāo)準(zhǔn)格子Boltzmann方法基于質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒規(guī)律，從離散模型出發(fā)，采用分布函數(shù)來(lái)進(jìn)行求解，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

格子Boltzmann模型對(duì)所有的非線性效應(yīng)都包含在碰撞項(xiàng)中，并且是以純粹局部信息的方式體現(xiàn)的，這種算法可以很好的發(fā)揮并行計(jì)算的長(zhǎng)處，故利用這種方法進(jìn)行非定常流動(dòng)和大型模型的并行計(jì)算具有一定的優(yōu)越性。

上式則表明Boltzmann方程不再服從N-S方程，而N-S方程僅代表Boltzmann方程在Kundsen數(shù)上的子集。

3仿真分析及結(jié)果

3.1有限元模型

本文研究對(duì)象為某電動(dòng)卡車電池艙，使用建模軟件ANSA建立表面單元，使用PowerFlow軟件設(shè)置邊界條件和生成實(shí)體計(jì)算網(wǎng)格，實(shí)體單元數(shù)1728萬(wàn)，具體模型如下圖1所示：

邊界條件：空調(diào)出氣口流量：0.073 kg/s，由于空調(diào)實(shí)際工作時(shí)進(jìn)氣口為主動(dòng)進(jìn)氣，因此設(shè)置空調(diào)進(jìn)氣口流量與出氣口流量相同：0.073 kg/s，空調(diào)進(jìn)出氣口壓強(qiáng)均為：101325 Pa，空氣密度：1.185kg/m³，環(huán)境溫度25℃。

3.2計(jì)算結(jié)果

為觀察空調(diào)排出的冷卻氣流是否能夠均勻的分布到各個(gè)電池組，在風(fēng)道1、風(fēng)道2、風(fēng)道3入口處設(shè)置3個(gè)切面觀測(cè)三個(gè)風(fēng)道的流量，結(jié)果如下表1所示：

說(shuō)明：流量為單位時(shí)間流經(jīng)風(fēng)道入口橫截面的空氣質(zhì)量，入口風(fēng)速指風(fēng)道入口截面的平均風(fēng)速。

由上表可知：風(fēng)道2與風(fēng)道3最大流量差值為：0.005kg/s，入口處平均風(fēng)速在1.5m/s左右。說(shuō)明流量分布比較均勻，但是風(fēng)速較小。

電池艙中面位置流場(chǎng)結(jié)果如下圖2、圖3所示：

由上圖結(jié)果可知：空調(diào)吹出的氣流在主風(fēng)道內(nèi)速度越來(lái)越低，由于主風(fēng)道橫截面積較空調(diào)出氣口面積相差很大且沒(méi)有過(guò)渡階段，導(dǎo)致主風(fēng)道內(nèi)能量損失較嚴(yán)重，為此在主風(fēng)道位置設(shè)置一個(gè)切面，觀察流場(chǎng)結(jié)果（如圖4所示）；在風(fēng)道1、風(fēng)道2、風(fēng)道3內(nèi)風(fēng)速較小，且離風(fēng)道入口較近的位置大部分氣流沿著風(fēng)道向前流，很少往上吹到電池組縫隙里，可能會(huì)使不同位置電池組散熱性能不同，導(dǎo)致不同電池組在工作狀態(tài)下溫度分布不均勻，對(duì)電池的使用壽命和效率造成很大的破壞。

由上圖可知在圖示切面處，在主風(fēng)道兩側(cè)形成了渦流，造成了大量的能量損失，從而導(dǎo)致在拐角處電池艙中面氣流風(fēng)速僅為1.5m/s左右。

4優(yōu)化方案及結(jié)果

基于方案一的分析結(jié)果，為了避免在風(fēng)道產(chǎn)生渦流，造成能量損失，將水平主風(fēng)道做成燕尾型，并減少主風(fēng)道的橫截面積，水平主風(fēng)道與豎直主風(fēng)道連接處做成圓弧過(guò)渡；為了使風(fēng)道1、風(fēng)道2、風(fēng)道3三個(gè)風(fēng)道流量分布更均勻，將豎直主風(fēng)道的外側(cè)傾斜一定角度；為保證各個(gè)電池組表面風(fēng)量分配均勻，將風(fēng)道1、風(fēng)道2、風(fēng)道3下表面做一定的斜度，通過(guò)改變下表面傾斜的角度調(diào)整各電池組的風(fēng)量分配，優(yōu)化結(jié)構(gòu)如下圖5所示：

在風(fēng)道1、風(fēng)道2、風(fēng)道3三個(gè)風(fēng)道的流量，結(jié)果如下表2所示：

由上表結(jié)果可知：方案二各風(fēng)道的風(fēng)量分配較方案1更均勻，且入口平均風(fēng)速均在2m/s以上。

由上圖結(jié)果可知：優(yōu)化后主風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速變化較小，風(fēng)道1、風(fēng)道2、風(fēng)道3采用變截面設(shè)計(jì)內(nèi)部風(fēng)速分布均勻且均在1m/s到2m/s之間，電池縫隙內(nèi)風(fēng)速分布也較均勻。

說(shuō)明：上表中第1列電池組指距離空調(diào)最近那列電池組，即上圖中左側(cè)第一列，第2列指距離空調(diào)第二近的那列電池，以此類推后面的幾列電池組）。

由上表3可知：主風(fēng)道內(nèi)氣流流速減小較方案一小，能量損失較?。桓麟姵乇砻嫫骄L(fēng)速均在1m/s左右，且分布均勻。

5結(jié)論

本文利用PowerFlow軟件對(duì)卡車電池包進(jìn)行流場(chǎng)分析及優(yōu)化。首先對(duì)初始方案進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)主風(fēng)道能量損失較大，各電池組風(fēng)量分配不夠均勻且風(fēng)速較小，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，優(yōu)化后電池的冷卻性能得到了較大幅度的提高。本文為了提高計(jì)算效率，對(duì)電池縫隙進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，需進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。