買嘉誠(chéng)，黃碧雄，謝兆康，賈志強(qiáng)

（1.201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué)；2.130000 吉林省 長(zhǎng)春市 長(zhǎng)春世恒科技有限公司）

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，機(jī)動(dòng)車的數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng),石油等不可再生能源消耗量急劇增加，能源緊缺和環(huán)境污染等已經(jīng)成為全球迫切解決的重大問(wèn)題。近年來(lái)，為了可持續(xù)發(fā)展和平衡節(jié)約不可再生能源，大力發(fā)展新型節(jié)能與新能源汽車也已經(jīng)提上了各大企業(yè)的日程。而對(duì)于純電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，電池又是其中的重中之重，又因?yàn)闇囟葘?duì)電池性能的影響較為顯著，所以我們更加需要對(duì)電池的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。為推動(dòng)新能源汽車的發(fā)展，第一屆大學(xué)生電動(dòng)方程式賽車大賽（FSEC）于 2013 年應(yīng)運(yùn)而生，它是由各大高等院校汽車工程或者相關(guān)專業(yè)在校生組隊(duì)，利用一年時(shí)間制作一輛賽車進(jìn)行各類性能上的比拼來(lái)促進(jìn)各學(xué)校學(xué)生的學(xué)習(xí)交流和實(shí)踐。因此，想要更好地參賽，必須對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，而電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)又是其中的重要部分。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。電池正常工作時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳給電池模組外殼，再與空氣對(duì)流換熱，最終通過(guò)電池箱內(nèi)空氣流動(dòng)帶走熱量達(dá)到散熱效果。但由于內(nèi)部元器件密集，發(fā)熱量大，對(duì)環(huán)境溫度要求嚴(yán)格，為了及時(shí)將熱量排出，確保電子元器件在規(guī)定溫度下正常工作，我們本著生熱與散熱平衡的原則，從散熱出發(fā)，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式進(jìn)行散熱，當(dāng)自然對(duì)流無(wú)法滿足散熱需求時(shí)，可通過(guò)調(diào)整散熱風(fēng)扇風(fēng)力，電池箱開孔位置以及電池模組的間隔，并采用正交測(cè)試的方法優(yōu)化和改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從而使得電池工作于更加合適的溫度范圍，保證能量效率最佳[1]。本文采用CATIA 對(duì)電池箱進(jìn)行精準(zhǔn)建模，用ANSYS ICEPAK 進(jìn)行模擬分析驗(yàn)證方案合理性，對(duì)電池箱散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 參數(shù)設(shè)置

首先確定電池的容量，達(dá)到以完成比賽為第一目的，并在此基礎(chǔ)上盡可能做到輕量化[2]。本文采用多個(gè)電池單體通過(guò)串并聯(lián)搭建組成電池模組的方式，經(jīng)過(guò)分析和研究之前的參賽數(shù)據(jù)，得到的動(dòng)力電池最佳容量為7.15 kW·h 左右，因此決定采用明逹的 EPC070180SP 作為動(dòng)力電池的電池單體如圖1，其產(chǎn)品主要參數(shù)見表1。

圖1 單個(gè)電池結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of a single battery

表1 動(dòng)力電池單體主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of single power battery

根據(jù)電池參數(shù)，經(jīng)計(jì)算選用108 個(gè)電池單體，將 108 個(gè)電池單體通過(guò)螺栓連接方式串聯(lián)在一起分為6 組，每組串聯(lián)方式通過(guò)CATIA 進(jìn)行建模，如圖2 所示。整個(gè)動(dòng)力電池模組額定電壓為 399.6 V，最高電壓為 453.6 V。108 串一并合計(jì)最大容量為 7.2 kW·h，符合動(dòng)態(tài)仿真所得的最低容量限制。

圖2 單個(gè)電池模組Fig.2 Single battery module

然后設(shè)計(jì)散熱孔數(shù)目、散熱風(fēng)扇、散熱孔位置和電池模組間距。因?yàn)樯嵝枰罅苛鲃?dòng)空氣帶走電池箱內(nèi)部熱量，以保證電池工作在適宜溫度，保證電池放電效率，所以在電池箱上增加散熱孔的同時(shí)還有散熱風(fēng)扇來(lái)保證熱量散失。我們可以通過(guò)公式（1）[3]來(lái)確定最佳散熱風(fēng)量從而挑選適當(dāng)?shù)纳犸L(fēng)扇和箱體散熱孔數(shù)目。

式中：CFM——冷卻所需空氣流量；Qp——工況點(diǎn)最大散熱量；Cp——空氣定壓比熱容；ρ——空氣密度；ΔT——溫度差。

電池?zé)崮Ｐ偷谋举|(zhì)是電池內(nèi)部微元體的能量守恒方程[4]。假設(shè)組成電池各種材料介質(zhì)均勻，密度一致，同一材料比熱容相同，同一方向各處導(dǎo)熱率相等；電池充放電時(shí)，電池內(nèi)部各處電流密度均勻[5]。基于這些假設(shè),可得電池的生熱模型如下[6]：

式中：ρ——電池平均密度；CP ——電池的質(zhì)量定壓熱容；T ——溫度；t ——時(shí)間；Kx，Ky，Kz——電池內(nèi)部沿 x 軸，y 軸，z 軸方向的熱導(dǎo)率；q ——單位體積熱量產(chǎn)生速率。

通過(guò)以上模型可以對(duì)電池進(jìn)行更準(zhǔn)確可靠的仿真分析。

2 電池箱的結(jié)構(gòu)

用CATIA 精準(zhǔn)建模，去掉上蓋的電池箱如圖3 所示。電池箱由主箱體、箱體蓋、電池模組、隔板、離心風(fēng)扇、BMS、霍爾等元器件組成，箱體采用厚度為6 mm 的碳纖維材料，總體外形尺寸481 mm×388 mm×255 mm。內(nèi)部動(dòng)力電池箱采用108 串一并的Pack 策略，將108 個(gè)電芯單體均勻分置為6 個(gè)電池模組，如圖4 所示，使得單一模組的電壓不大于120 V。電池箱前部分為上下兩區(qū)域，其中，下部區(qū)域安裝固定主繼電器、分流器、預(yù)充電阻以及熔斷器，上部區(qū)域安裝BMS 從控及主控。前部區(qū)域跟電池包之間使用橫向隔板分隔開。

圖3 電池箱總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of battery box

圖4 整體模組排列放置Fig.4 Overall module arrangement

3 電池模組進(jìn)行熱仿真分析和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

3.1 初步熱仿真分析

將已經(jīng)建好的幾何模型導(dǎo)入ANSYS 的Geometry 中，再使用Electronics 將CAD 圖形轉(zhuǎn)換為icepak 可識(shí)別的圖形格式。由于機(jī)箱較封閉，電子元器件密度大，不考慮內(nèi)部的自然對(duì)流和輻射換熱[7]，在電池系統(tǒng)主要的產(chǎn)熱元器件是電池。其他的一些次要元器件如導(dǎo)線、保險(xiǎn)、開關(guān)、電池管理系統(tǒng)、霍爾、繼電器、分流器、預(yù)充電阻以及熔斷器，他們體積都很小且發(fā)熱量很小，對(duì)整個(gè)熱場(chǎng)影響可以忽略不計(jì)。對(duì)導(dǎo)入icepak 中的整個(gè)電池箱各個(gè)部分元器件進(jìn)行材料選擇，由上面公式計(jì)算出的電池發(fā)熱功率，修改特征尺寸滿足icepak 的分析要求。對(duì)整體建立assembly，因?qū)氲氖荂AD 圖形需采用Mesher-HD，在允許劃分多級(jí)網(wǎng)格的前提下進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)量為156 518，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為166 213，質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果Face alignment＞0.034，0.0 001 655＞Volume＞1.763 72,經(jīng)檢查，網(wǎng)格質(zhì)量良好，圖形沒(méi)有失真。選擇推薦的湍流模型。設(shè)置收斂的標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)low 項(xiàng)設(shè)為 1e-3，Energy 項(xiàng)設(shè)為 1e-7，迭代次數(shù)為 200，其它設(shè)置保持默認(rèn)。在出風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)口、中間電池單體設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。所有工作做好后，開始求解。

經(jīng)查閱資料得知，計(jì)算分析收斂[8]需收斂殘差必須達(dá)到特定值，并且收斂趨勢(shì)好，通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)計(jì)算是否達(dá)到物理收斂2 方面來(lái)判斷，如圖5 所示。

對(duì)電池箱內(nèi)部電池模組進(jìn)行溫度云圖查看如圖6 所示。經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)，電池模塊發(fā)熱部位主要在電池極耳處，電池模組各個(gè)部分溫度分布不合理，且溫度過(guò)高，不能滿足元器件正常工作的溫度需求，容易造成元器件損壞以及電池過(guò)熱壽命降低，嚴(yán)重影響電池的放電效率 。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)殘差曲線圖Fig.5 Residual curve of monitoring points

圖6 初步仿真電池溫度云圖Fig.6 Preliminary simulation battery temperature cloud map

3.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

FESC 純電動(dòng)式方程式賽車在行駛時(shí)，電池模組會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需通過(guò)更換離心風(fēng)扇的型號(hào)與功率，改變進(jìn)出口風(fēng)速，提高電池箱內(nèi)空氣的流動(dòng)速度，從而提高電池箱的散熱能力，達(dá)到降低箱內(nèi)的空氣溫度的目的。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)[9]在結(jié)構(gòu)上改變模組與模組間的間隙，改變開孔的數(shù)量與位置的措施來(lái)改變電池箱內(nèi)部的流場(chǎng)。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)改進(jìn)過(guò)的電池箱電池模組再次進(jìn)行熱分析。Z 方向的溫度云圖和風(fēng)扇位置處切面上的溫度云圖如圖7 所示。從圖中可以看出，風(fēng)扇兩端溫度較低，靠近中間局域溫度慢慢升高，靠近進(jìn)風(fēng)口溫度較低，出風(fēng)口溫度相對(duì)較高，高溫多集中在中間局域模組；電池模組頂端溫度最高37 ℃，最低34 ℃，差值不大，溫度的分布均勻，滿足各元器件工作溫度要求。

圖7 Z 方向的電池溫度云圖和風(fēng)扇位置溫度切面云圖Fig.7 Z-direction battery temperature cloud diagram and fan position temperature slice cloud diagram

對(duì)電池箱內(nèi)部和周圍冷卻環(huán)境進(jìn)行分析。從圖8 中可以看出，電池箱中空氣流動(dòng)均勻，空氣從右端入風(fēng)口由風(fēng)機(jī)吹入，再?gòu)淖蠖擞沙轱L(fēng)機(jī)抽出，電池箱箱體上的各個(gè)小孔均有穩(wěn)定空氣流出，內(nèi)部各個(gè)部位也均有空氣流動(dòng)，這樣就可以較好地通過(guò)空氣流動(dòng)帶走電池模組正常工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，避免某個(gè)部位溫度過(guò)高而出現(xiàn)散熱不均的問(wèn)題，在一定程度上提高電池箱的散熱能力。

圖8 電池箱內(nèi)部跡線圖和外部的速度云圖Fig.8 Internal trace of battery box and external velocity cloud

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真分析選出最佳散熱方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其準(zhǔn)確度，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的快速溫度變化濕熱試驗(yàn)箱為電池包提供溫濕度變化環(huán)境，用于測(cè)試判定動(dòng)力鋰離子電池包是否滿足各種溫度、濕度試驗(yàn)的要求。安裝 BMS模塊及線束，在測(cè)試時(shí)將傳感器貼于電池包中的各個(gè)位置，將溫度信息傳遞到 BMS 上。將搭好的電池模組放入實(shí)驗(yàn)室的快速溫度變化濕熱試驗(yàn)箱，模擬電池模組工作時(shí)的環(huán)境溫度，用4 A 恒流對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，充電至最高，電芯電壓為4.2 V，靜置1 h，隨后電池在模擬的耐久賽工況下運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)對(duì)電池進(jìn)行間斷的充電放電。模擬工況如圖9 所示。以108 塊電芯分為6 個(gè)模組，每組模組檢測(cè)6 個(gè)電芯的方式，通過(guò)記錄BMS 發(fā)出的CAN 信號(hào)，得到電芯的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析得出，溫度集中分布在位于中心位置的電芯處。

圖9 模擬工況Fig.9 Simulation conditions

4.2 結(jié)果分析

通過(guò)讀取 BMS 報(bào)文信息，實(shí)時(shí)記錄不同工況條件下的溫度信息。然后根據(jù)結(jié)果分析評(píng)價(jià)。

由BMS 發(fā)出的CAN 信號(hào)得出：電池模組貼近兩邊風(fēng)口處的溫度較低，中間溫度較高。對(duì)中間模組溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，做出統(tǒng)計(jì)圖如圖10所示，最低溫度25 ℃，最高溫度38 ℃，滿足各元器件工作要求，與仿真分析結(jié)果符合一致。

圖10 中心位置處電池溫度曲線Fig.10 Battery temperature curve at the center

5 結(jié)語(yǔ)

本文以優(yōu)化電池箱散熱系統(tǒng)為目的，借助CATIA 進(jìn)行建模，再通過(guò)ANSYS Icepak 對(duì)電池箱強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到電池箱正常工作時(shí)的溫度、跡線、速度云圖，通過(guò)改進(jìn)風(fēng)道間隙、風(fēng)扇功率、開孔位置大小，得出設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。優(yōu)化后的電池箱與原電池箱相比模組溫度降低50%左右。又對(duì)成品電池箱進(jìn)行強(qiáng)度、散熱、動(dòng)力性、耐久性等實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。由大量數(shù)據(jù)分析證明，方案設(shè)計(jì)合理，電池模塊最高溫度 40 ℃，各電池模塊均未超出最高溫度要求，溫度分布均勻，滿足賽車電池箱的散熱需求。