基于ANSYS Icepak軟件的風(fēng)冷電池箱散熱仿真分析

李華偉，于晨晨

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京 100083）

1 引言

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，如果電池長(zhǎng)期處于惡劣的熱環(huán)境中將降低電池使用性能，縮短電池的壽命。隨著電池箱向高功率和小型化的方向發(fā)展，其本身帶來(lái)的工作穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性等問(wèn)題成為電池箱熱設(shè)計(jì)和熱管理的關(guān)鍵點(diǎn)。許多學(xué)者對(duì)電池箱和電池組的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，韓治成等對(duì)電池箱引流板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在多種進(jìn)口風(fēng)速工況下進(jìn)行熱仿真，得到了機(jī)箱較好的散熱條件。吳宏等分析了幾種典型電池箱的散熱環(huán)境，得到溫度場(chǎng)分布較合理的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)。費(fèi)朝輝等研究了對(duì)電池箱溫度場(chǎng)影響的較大的幾個(gè)因素，得出了放電倍率、流量和風(fēng)道結(jié)構(gòu)等對(duì)溫度場(chǎng)的影響。姬芬竹等應(yīng)用Fluent軟件分析了單體電池生熱和散熱的特性以及電池箱出風(fēng)口的位置對(duì)電池溫度變化的影響。

某型號(hào)電池箱內(nèi)部電子元器件布置密集，發(fā)熱量大，對(duì)工作環(huán)境溫度要求嚴(yán)格，為及時(shí)將功耗部件產(chǎn)生的熱量排出機(jī)箱，確保電子元器件在規(guī)定的溫度下正常工作，該電池箱采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式。當(dāng)自然對(duì)流滿足不了大功耗設(shè)備的散熱要求時(shí)，可采用增加外部動(dòng)力源來(lái)達(dá)到冷卻機(jī)箱的目的。

根據(jù)本電池箱熱流密度的特點(diǎn)以及內(nèi)部核心部件電池單體對(duì)熱環(huán)境的要求，選擇風(fēng)機(jī)抽風(fēng)冷卻機(jī)箱內(nèi)部的元器件。熱仿真技術(shù)是進(jìn)行熱設(shè)計(jì)不可缺少的一步，本文采用專(zhuān)業(yè)的電子設(shè)備熱分析軟件ANSYS Icepak對(duì)電池箱進(jìn)行詳細(xì)的建模和模擬分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可靠性，為該機(jī)箱的散熱性能的改進(jìn)提供了參考。

2 電池箱的結(jié)構(gòu)

去掉上蓋的電池箱體的結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)箱由上箱蓋和下箱體、電池模塊、托架，加強(qiáng)筋板及離心風(fēng)機(jī)等組成，箱體外壁采用薄鋼板，內(nèi)壁上安裝加強(qiáng)筋，內(nèi)部并列放置8組電池包，3個(gè)電池包構(gòu)成一組，每組電池模塊的功耗為51W，工作環(huán)境溫度為-25～45℃，電子器件工作溫度為-35～65℃，機(jī)箱頂部的開(kāi)孔為離心風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口，底部開(kāi)設(shè)進(jìn)風(fēng)口，機(jī)箱的外形尺寸為1388mm×296mm×332mm ，電池包的外形尺寸為130mm×83mm×292mm。

圖1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1(a)、(b)所示，機(jī)箱左側(cè)離心風(fēng)扇處為吸風(fēng)口，右側(cè)圓孔為進(jìn)風(fēng)口。加強(qiáng)筋板位于電池箱內(nèi)部，前后對(duì)稱(chēng)布置，提供8組電池包的安裝接口，并起到結(jié)構(gòu)強(qiáng)化的作用，由鋁合金材料制造，其強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。圖1(c)為單個(gè)電池包的結(jié)構(gòu)形式，單個(gè)電池包采用ABS塑料包覆裝配，設(shè)置有電氣接口和安裝緊固接口。

3 機(jī)箱熱設(shè)計(jì)分析

為全面準(zhǔn)確了解機(jī)箱強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱效果，本文在13種不同的工況下對(duì)機(jī)箱進(jìn)行熱仿真分析。由于機(jī)箱較封閉，電子元器件密度大，內(nèi)部的自然對(duì)流和輻射換熱不考慮，經(jīng)計(jì)算機(jī)箱的總功耗為Q=408W，故機(jī)箱的表面熱流密度為=Q/A=0.022W/cm2，內(nèi)部器件允許的溫升為20℃。電池單體是各向異性導(dǎo)熱源，對(duì)電池箱體進(jìn)行熱仿真時(shí)需確定電池單體單位體積熱生成率，電池的比熱，各向異性導(dǎo)熱率等，應(yīng)用熱阻的串并聯(lián)特性推導(dǎo)了電池在各個(gè)方向上的導(dǎo)熱率，此處的導(dǎo)熱率由生產(chǎn)商提供。冷卻風(fēng)量須根據(jù)設(shè)計(jì)狀態(tài)確定。需要多大的風(fēng)量來(lái)冷卻工作狀態(tài)電池陣列，以保證電池陣列在合理的溫度范圍內(nèi)工作。由以上分析，結(jié)合熱流密度和冷卻方式的對(duì)照曲線圖選擇冷卻的方式。該熱流密度值大于自然冷卻的最高溫度的要求，符合強(qiáng)迫風(fēng)冷的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)風(fēng)速定為9.2m/s，不同工況下的散熱分析方案如表1。

表1 不同工況散熱分析方案

4 機(jī)箱熱仿真分析

4.1 建立求解模型

采用ANSYS幾何前處理工具Design Modeler進(jìn)行前處理和分析模型轉(zhuǎn)化。建立機(jī)箱的模型時(shí)，對(duì)熱分析影響不大的細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化處理，比如圓角、安裝孔和螺紋等局部可不考慮。為準(zhǔn)確反映機(jī)箱內(nèi)部各部件的散熱情況，盡可能保留機(jī)箱內(nèi)的部件。機(jī)箱體包括側(cè)蓋、頂蓋、進(jìn)出風(fēng)口、電氣接口等，模型處理時(shí)保留進(jìn)出風(fēng)口；電氣接口由于工作時(shí)是封閉的，簡(jiǎn)化時(shí)消除；側(cè)蓋和頂蓋在ICEPAK軟件里面建立，處理成一個(gè)完整的六面體箱體。由于機(jī)箱為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，利用ICEPAK中的創(chuàng)建組和復(fù)制功能實(shí)現(xiàn)快速建模。對(duì)單個(gè)電池包的處理原則是最大限度保留影響電池散熱的特征，對(duì)ABS塑料殼體保留周邊圓孔特征，對(duì)緊固接口等散熱影響小的特征進(jìn)行處理，保留主要的冷卻氣流通路特征。對(duì)加強(qiáng)筋的處理原則是保留影響空氣流通的主要特征，對(duì)緊固件及工藝特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，保留加強(qiáng)筋的大部分特征。

參數(shù)的設(shè)計(jì)主要包括機(jī)箱外側(cè)壁的自然對(duì)流、各個(gè)分析對(duì)象的功耗、材料、風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口的風(fēng)速、環(huán)境溫度和壓力等設(shè)置。

在網(wǎng)格劃分時(shí)采用非結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格（Hexa unstructured mesh）以提高網(wǎng)格的精度，采用Normal方式細(xì)化網(wǎng)格，各電池模塊分別設(shè)為Assemly并設(shè)置合適的Slak值，進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。對(duì)不同的Assemly分別劃分網(wǎng)格，從而提高分析的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分的總單元數(shù)量為7465514，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為8534096，質(zhì)量檢查 的 結(jié) 果 為 Face alignment＞0.299，Quality＞0.257，2.34e-11＞Volume＞7.69e-7 ，Skewness＞0.214。

進(jìn)行求解計(jì)算前，在ICEPAK的基本設(shè)置對(duì)話框中通過(guò)Reset對(duì)reynolds和peclet兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，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，迭代持次數(shù)為200，其它設(shè)置保持默認(rèn)。在機(jī)箱的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置壓力和速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在吸風(fēng)口設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在穩(wěn)態(tài)條件下通過(guò)求解流場(chǎng)的連續(xù)方程，紊流動(dòng)能方程和損耗方程獲得各點(diǎn)的壓力和溫度等數(shù)據(jù)。后處理階段應(yīng)用ICEPAK中的Object face和Plane cut模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布情況的查看。

4.2 分析結(jié)果

計(jì)算分析收斂的判斷從兩個(gè)方面來(lái)確定，一是以收斂殘差必須達(dá)到設(shè)定值并且收斂趨勢(shì)好，二是通過(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。

圖2 計(jì)算分析檢測(cè)圖

機(jī)箱內(nèi)部溫度分布合理和元器件的溫度滿足要求是衡量熱設(shè)計(jì)成功的指標(biāo)之一。通過(guò)仿真分析獲得了13種工況下機(jī)箱內(nèi)部和主要元器件的溫度分布規(guī)律。鑒于篇幅此處僅列舉環(huán)境溫度為25℃工況下的溫度分布情況，其它工況下的溫度分布均相似。

圖3 溫度分布示意圖

由圖3(a)可知，機(jī)箱表面的溫度從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口逐漸升高，在進(jìn)口處溫度較低，最低溫度為25℃，在出口處溫度較高，最高溫度為32.7℃。由于對(duì)流和熱傳導(dǎo)使熱量在該區(qū)域的加速聚集，為改善機(jī)箱表面的散熱效果可在該處增加散熱孔或采用換熱性能較好的材料，以增強(qiáng)自然對(duì)流的能力。圖3(b)顯示電池箱體內(nèi)部的溫度主要集中在電池發(fā)熱源處，在該截面中心最高溫度值均超過(guò)40℃，但遠(yuǎn)小于規(guī)定的最高工作溫度。電池箱體最高溫度為43.59℃，最高溫度點(diǎn)在中間一排電池內(nèi)部中心，最低溫度為25.08℃，接近外界空氣溫度，處于氣流入口ABS外殼。

圖4 電池溫度分布圖

圖4 所示為電池陣列及電池單體陣列溫度云圖，可知24個(gè)電池包溫度值跨度較大，分布不均，進(jìn)氣端溫度較低，出氣口端溫度高，這是串行通風(fēng)的普遍現(xiàn)象。同時(shí)，中心一排溫度相對(duì)兩側(cè)要高。對(duì)于單個(gè)電池包，兩側(cè)電池單體溫差較小，基本保持在2～3℃溫度范圍,越往中心溫差越大。

機(jī)箱內(nèi)部氣流流動(dòng)均勻穩(wěn)定是風(fēng)道設(shè)計(jì)合理的重要體現(xiàn)。圖5顯示的是環(huán)境溫度為25℃工況下的機(jī)箱內(nèi)部氣流的流動(dòng)情況，其它工況下的氣流分布均相似。從軌跡線分析來(lái)看，空氣可以在電池陣列四周通過(guò)，由于進(jìn)出口非對(duì)稱(chēng)性布置，空氣流動(dòng)形態(tài)也是非對(duì)稱(chēng)性的，圖中顯示進(jìn)出口的速度最大，進(jìn)口風(fēng)速最大為18.9m/s，機(jī)箱內(nèi)部的氣流流動(dòng)順暢，無(wú)回流現(xiàn)象。

機(jī)箱內(nèi)部的溫度主要來(lái)自電池模塊的發(fā)熱，在環(huán)境溫度為25℃時(shí)其溫度分布分別如下。

如上圖6所示，各電池模塊的最高溫度均集中在中心部位，趨向于出風(fēng)口的模塊溫度較高，溫度均超過(guò)40℃，其中溫度最高的為模塊2，達(dá)到43.5℃；在進(jìn)風(fēng)口處的模塊溫度較低，模塊3和模塊4均低于40℃。

隨著環(huán)境溫度的下降，箱體、電池模塊和出風(fēng)口的溫度均下降，在工況1時(shí)，各模塊的最低溫度高于-20℃，遠(yuǎn)高于器件最低溫度要求。最低溫度出現(xiàn)在機(jī)箱表面為-20℃。隨著環(huán)境溫度的升高，各部分的溫度均提高，其中在環(huán)境溫度為40℃時(shí)，模塊1～8的最高溫度均未超過(guò)60℃，最高溫度為57.77℃，接近規(guī)定值。因此應(yīng)采取降低環(huán)境溫度的措施，如安裝室內(nèi)空調(diào)或者提高風(fēng)速、增加進(jìn)氣排熱的開(kāi)口面積等。

圖5 機(jī)箱內(nèi)部速度跡線圖

圖6 部分電池模塊溫度云圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ANSYS ICEPAK軟件對(duì)風(fēng)冷電池箱進(jìn)行熱仿真，得到了機(jī)箱內(nèi)外部的溫度分布和流場(chǎng)流動(dòng)的數(shù)據(jù)，結(jié)合熱設(shè)計(jì)理論評(píng)估該方案設(shè)計(jì)的合理性，在環(huán)境溫度為-20℃時(shí)，機(jī)箱內(nèi)的最低溫度遠(yuǎn)高于最低要求溫度，在環(huán)境溫度為40℃時(shí)，各電池模塊的溫度均未超出最高要求溫度。對(duì)溫度分布不均及過(guò)高的現(xiàn)象給出機(jī)箱改進(jìn)辦法，在強(qiáng)迫風(fēng)冷的條件下，風(fēng)速設(shè)置為9.2m/s，能滿足各設(shè)計(jì)工況下的散熱要求。同時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)分布均勻，風(fēng)道的設(shè)計(jì)合理。該分析為機(jī)箱的散熱改進(jìn)和同類(lèi)產(chǎn)品的仿真分析提供了數(shù)據(jù)和參考。