高速行駛時電動汽車動力艙自然進風散熱分析

徐曉明 何 仁

(江蘇大學汽車與交通工程學院,鎮江 212013)

電動汽車動力艙自然進風散熱性能優劣直接影響到艙內電池組溫度場分布,進而影響電池的正常工作.近年來,隨著數值計算方法的改進和計算機性能的提高,CFD(computational fluid dynamics)技術得到了飛速發展[1-3],采用數值模擬方法研究電動汽車動力艙熱流場特性成為可能.電動汽車動力艙熱流場特性研究從最初的以試驗分析為主,發展到目前以仿真計算為主,輔以試驗驗證[4-6].

電動汽車動力艙自然進風散熱分析可以借鑒傳統發動機艙散熱的研究方法.Anders[7]針對SUV XC90設計過程中遇到的熱管理問題,使用 FLUENT軟件對發動機艙內外流場進行了數值仿真研究;袁俠義等[8]通過添加擋板改變氣流通道,有效地改善了發動機艙內的散熱情況;Kim等[9]利用Flowmaster軟件對汽車發動機冷卻系統在不同控制策略下的性能進行了研究.

本文對高速行駛時電動汽車動力艙自然進風散熱性能進行研究,以便為電動汽車動力艙自然進風散熱分析和電池組位置選擇提供參考依據.

1 實車模型和風洞模型

圖1為實車模型,艙內氣流通過動力艙上部流出,即動力艙選擇上出風口模式.選用的截面形狀為非對稱切角矩形的風洞模型[10],如圖2所示.電池組共有144個55 A·h電池單體(6個2并12串的電池標準模塊).電池組橫向擺放,與動力艙后壁距離為200 mm,箱型結構尺寸為600 mm×450 mm×450 mm.

圖1 實車模型(單位：mm)

圖2 截面形狀為非對稱切角矩形的風洞模型

2 仿真計算方法和邊界條件

2.1 數學模型

一般情況下流體在速度小于1/3聲速時(400 km/h),可忽略流體速度對密度的影響,此時可將流體看作不可壓縮流體.通常狀態下,轎車的最高速度遠小于400 km/h,因此車身表面的流動可認為是不可壓縮流動,考慮到汽車復雜外形引起的分離現象,應按湍流處理.其控制方程組如下:

連續方程

(1)

動量守恒方程

(2)

能量守恒方程

(3)

式中,V為速度矢量;p為壓力;ρ為空氣密度;μ為空氣動力黏性系數.

2.2 計算方法

采用三維不可壓縮雷諾平均方程N-S方程和標準k-ε湍流模型.控制界面的物理量應用二階迎風差分格式獲得，并運用SIMPLEC壓力修正法進行迭代.

2.3 邊界條件

入口為速度進口,速度值視具體算例給定,湍流度設為0.1%;出口為壓力出口,大小為標準大氣壓;壁面采用無滑移邊界條件,速度為零.

根據生態足跡法計算要求，結合實地調查統計分析結果，本文將消費項目劃分為生物資源消費和能源消費兩大類，其中主要生物資源消費項目包括農產品(主要為糧食、蔬菜和油料)、動物產品(主要為豬肉、牛羊肉、鮮蛋、牛奶)、林產品(主要為水果)和水產品(主要為魚類)；主要能源資源項目包括煤、石油制品(主要為汽油、柴油和天然氣)和電力。

3 鋰離子電池單體充放電發熱功率測定

圖3為55 A·h電池單體測溫點布置和絕熱設計,底部布置2個測溫點,側壁布置3個測溫點,保溫箱用3層絕熱材料包裹,以保證具有較好的絕熱性能.

圖3 55 A·h電池單體測溫點布置和絕熱設計

發熱量計算公式如下:

Q=cpmΔT

(4)

式中,Q為發熱量;cp為比熱容;m為質量;ΔT為溫升.

由式(4)可推導出發熱功率計算公式:

(5)

式中,P為發熱功率;t為時間.

試驗過程如下:將恒溫箱調到合適的溫度,以不同的倍率充電至3.65 V,轉恒壓充電至0.05C截止;再以該倍率放電至2.50 V截止.這里，C表示電池充放電時電流大小的倍率.

由表1可見,27 ℃環境溫度下1.0C充放電倍率時,55 A·h電池單體充電過程平均發熱功率為4.36 W,放電過程平均發熱功率為6.35 W,充放電過程平均發熱功率為5.36 W .由于保溫箱不能做到完全絕熱,故測得電池單體充放電過程的平均溫升要低于電池單體實際絕熱溫升,計算的發熱功率也略低于實際發熱功率.電池單體充放電過程的發熱功率作為仿真計算熱源設置的參考依據.

表1 電池單體充放電過程平均溫升和發熱功率

4 散熱性能分析

4.1 電動汽車動力艙自然進風散熱性能分析

圖4為27 ℃環境溫度下1.0C充放電倍率時,Y=0 m截面溫度場分布,溫度較高區域在電池組中上部.受向上走的氣流影響,電池組上部偏后部位溫度明顯高于其他部位,而電池底部與車架接觸,有利于熱量傳遞,故電池組底部溫度較低.因此,自然進風散熱主要考慮的問題是如何將電池組上部偏后部位的熱量帶走.

圖4 車速為110 km/h時Y=0 m截面的溫度場分布

4.2 不同環境溫度下散熱性能分析

從圖5可看出，在1.0C充放電倍率時,不同環境溫度下,電池組最高溫升和內部最大溫差隨車速提高基本呈線性關系變化,且保持平行,其中27 ℃和40 ℃環境溫度時的曲線比較接近,這表明較高的環境溫度下,電動汽車動力艙自然進風散熱性能比較接近.車速為110 km/h時,40 ℃環境溫度下的電池組最高溫升分別比20 ℃和27 ℃環境溫度時降低了28.5%和13.0%,內部最大溫差降低了24.9%和11.2%;車速為140 km/h時,40 ℃環境溫度下的電池組最高溫升分別比20 ℃和27 ℃環境溫度時降低了28.5%和13.0%,內部最大溫差降低了24.7%和10.7%.

圖5 不同環境溫度下電池組最高溫升和內部最大溫差隨車速變化比較

4.3 不同充放電倍率時散熱性能分析

從圖6可看出，在27 ℃環境溫度下,不同充放電倍率時,電池組最高溫升和內部最大溫差隨車速提高也基本成線性關系變化,其中0.8C和1.0C充放電倍率時的曲線比較接近,說明較低的充放電倍率時,電動汽車動力艙自然進風散熱性能比較接近,當高充放電倍率時,應當考慮加強冷卻風散熱能力.車速為110 km/h時,0.8C充放電倍率時的電池組最高溫升分別比1.0C和1.2C充放電倍率時降低了18.8%和41.1%,內部最大溫差降低了15.2%和35.7%;車速為140 km/h時,0.8C充放電倍率時的電池組最高溫升分別比1.0C和1.2C充放電倍率時降低了19.0%和41.1%,內部最大溫差降低了15.1%和35.7%.

圖6 不同充放電倍率時電池組最高溫升和內部最大溫差隨車速變化比較

4.4 電池組不同位置對散熱性能的影響

圖7為電池組不同位置示意圖,其中,電池組距離動力艙后壁最小距離為170 mm,最大距離為250 mm.通過對電池組不同位置的電動汽車熱流場進行仿真分析,確定滿足最優動力艙自然進風散熱性能的電池組與動力艙后壁距離.

圖7 電池組不同位置示意圖

由圖8可見,4種不同位置的電池組最高溫升與電池組內部最大溫差隨車速提高均基本呈線性變化.自然進風散熱性能隨電池組與動力艙后壁距離增加而變化的規律為:從170 mm增加到230 mm,自然進風散熱性能改善;從230 mm增加到250 mm,自然進風散熱性能下降.其中,車速為110 km/h時,距離為230 mm的電池組最高溫升分別比170,200和250 mm降低了6.8%,5.8%和1.1%,內部最大溫差降低了7.8%,5.9%和1.3%;車速為140 km/h時,距離為230 mm的電池組最高溫升分別比170,200和250 mm降低了5.9%,5.0%和1.1%,內部最大溫差降低了7.3%,5.3%和1.3%,可見自然進風散熱條件下,合理布置電池組位置也可改善電動汽車散熱性能.

圖8 電池組不同位置時最高溫升和內部最大溫差隨車速變化比較

5 結論

1) 電動汽車動力艙自然進風散熱性能隨著車速提高而改善,電池組最高溫升隨車速提高而降低的幅度比內部最大溫差隨車速提高而降低的幅度大,表明高速氣流更有利于電池組內部溫度降低,從而使得電池組最高溫升下降.

2) 電動汽車動力艙自然進風散熱性能隨著環境溫度升高和充放電倍率降低而提高,這是因為這2種工況可有效降低電池發熱功率.

3) 自然進風散熱性能隨電池組與動力艙后壁距離增加而變化的規律為:從170 mm增加到230 mm,自然進風散熱性能改善;從230 mm增加到250 mm,自然進風散熱性能下降.可見,合理布置電池組位置可以改善電動汽車散熱性能.

上述結論為高速行駛時電動汽車動力艙自然進風散熱分析和電池組位置選擇提供了參考依據.

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