启飞汽车

原作者：师占雨 ，唐克兵，谢庆喜，赵禧元，王辉  来源：汽车科技

摘要
 
    本文使用PowerFlow软件对电动卡车风冷电池舱进行了流场仿真分析，得到原方案设在主风道内部形成了涡流，造成了大量的能量损失，导致风道内冷却气流流速迅速降低，风道设计不合理对电池的冷却效果不佳。根据仿真流场结果对风冷电池舱进行了优化，得到了风量分配更均匀，且风道内能量损失少的优化模型。 
 
正文
 
    新能源纯电动汽车具有环保、能源利用率高、低噪声、结构简单、维修方便、经久耐用等特点，具有很好的应用前景。现今采用的电池多为化学电池，受温度的变化较敏感，而且电池舱一般较小，电池舱内电池紧密的排列在一起，如果电池舱的散热性能不好，随着时间的积累，电池舱内环境温度会显著增高，容易发生事故或导致电池寿命大大降低。 
　　国外学者对车用动力电池的热管理技术进行了大量研究，并取得了很多成果，AhmadA.Pesaran在1999年总结归纳了电池热管理的一般方法，2008年Rami Sabbah等以锂离子动力电池为研究对象，对比了风冷和相变制冷两种散热方式的优缺点；2009年Debashis hosh等、Jarret A等分别运用CFD的方法对电池组的热性能进行了分析；2012年美国的Giuliano M R，等设计了一种风冷散热系统，研究了电池组在该系统下的散热性能，研究表明：风冷散热方案是可行的。 
　　由于电池舱的流场的分布对电池组的散热有极为重大的影响，所以传热介质的流场设计是电池热管理系统设计的关键问题。本文使用PowerFlow仿真软件，针对电动卡车电池舱进行流场仿真和风道优化得到满足要求的风道结构。 

一．设计思路及仿真可行性分析 

1.设计思路
 
　　现阶段电动汽车面临的最大的挑战就是续航里程，减少冷却电池舱的能量消耗对提高车辆的续航里程有很大的帮助。考虑到进行冷却时，冷却气流流经电池后温度仍较环境温度低，如果将冷却气流直接排出电池舱，是对能源的浪费，因此本文提出的两种方案均为内循环冷却结构。另一方面内循环工况下，冷却空调在进行工作时，主动进风和主动出风均会对冷却气流进行加速，提高冷却效果。 

2.可行性分析
 
　　电池舱的热管理仿真计算是一个化学反应场、温度场与流场的耦合问题，由于缺少电池模型及发热参数等，不能进行耦合计算。由于电池舱内温差一般控制在较小范围之内，本文主要关注的是电池舱风道的设计，因此可以忽略温度场对流场的影响，仅考虑流场分析，通过合理的风道设计使各风道流量分配均匀，且保证各电池表面的风速均匀分布。 

3.算法介绍
 
　　格子Boltzmann方法经过20年的发展现在已经被成功的应用到多孔介质流、粒子悬浮流、多相流、粘弹流等诸多领域。格子Boltzmann系统的宏观表象基本满足N-S本构方程，因此可以使用LBM方法代替求解N-S方程。 
　　标准格子Boltzmann方法基于质量守恒、动量守恒和能量守恒规律，从离散模型出发，采用分布函数来进行求解，数学表达式如下：
 

　　格子Boltzmann模型对所有的非线性效应都包含在碰撞项中，并且是以纯粹局部信息的方式体现的，这种算法可以很好的发挥并行计算的长处，故利用这种方法进行非定常流动和大型模型的并行计算具有一定的优越性。
 

 　　上式则表明Boltzmann方程不再服从N-S方程，而N-S方程仅代表Boltzmann方程在Kundsen数上的子集。 

二.仿真分析及结果
 
1.有限元模型
 
　　本文研究对象为某电动卡车电池舱，使用建模软件ANSA建立表面单元，使用PowerFlow软件设置边界条件和生成实体计算网格，实体单元数1728万。具体模型如下图1所示：
 

　　边界条件：空调出气口流量：0.073 kg/s，由于空调实际工作时进气口为主动进气，因此设置空调进气口流量与出气口流量相同：0.073 kg/s，空调进出气口压强均为：101325 Pa，空氣密度：1.185kg/m³，环境温度25℃。 

2.计算结果
 
　　为观察空调排出的冷却气流是否能够均匀的分布到各个电池组，在风道1、风道2、风道3入口处设置3个切面观测三个风道的流量，结果如下表1所示：
 

　　说明：流量为单位时间流经风道入口横截面的空气质量，入口风速指风道入口截面的平均风速。 
　　由上表可知：风道2与风道3最大流量差值为：0.005kg/s，入口处平均风速在1.5m/s左右。说明流量分布比较均匀，但是风速较小。 
　　电池舱中面位置流场结果如下图2、图3所示：
 

　　由上图结果可知：空调吹出的气流在主风道内速度越来越低，由于主风道横截面积较空调出气口面积相差很大且没有过渡阶段，导致主风道内能量损失较严重，为此在主风道位置设置一个切面，观察流场结果（如图4所示）；在风道1、风道2、风道3内风速较小，且离风道入口较近的位置大部分气流沿着风道向前流，很少往上吹到电池组缝隙里，可能会使不同位置电池组散热性能不同，导致不同电池组在工作状态下温度分布不均匀，对电池的使用寿命和效率造成很大的破坏。
 

　　由上图可知在图示切面处，在主风道两侧形成了涡流，造成了大量的能量损失，从而导致在拐角处电池舱中面气流风速仅为1.5m/s左右。 

三.优化方案及结果
 
　　基于方案一的分析结果，为了避免在风道产生涡流，造成能量损失，将水平主风道做成燕尾型，并减少主风道的横截面积，水平主风道与竖直主风道连接处做成圆弧过渡；为了使风道1、风道2、风道3三个风道流量分布更均匀，将竖直主风道的外侧倾斜一定角度；为保证各个电池组表面风量分配均匀，将风道1、风道2、风道3下表面做一定的斜度，通过改变下表面倾斜的角度调整各电池组的风量分配，优化结构如下图5所示：
 

 
　　在风道1、风道2、风道3三个风道的流量，结果如下表2所示：
 

　　由上表结果可知：方案二各风道的风量分配较方案1更均匀，且入口平均风速均在2m/s以上。
 

　　由上图6结果可知：优化后主风道内风速变化较小，风道1、风道2、风道3采用变截面设计内部风速分布均匀且均在1m/s到2m/s之间，电池缝隙内风速分布也较均匀。 
　　说明：上表中第1列电池组指距离空调最近那列电池组，即上图中左侧第一列，第2列指距离空调第二近的那列电池，以此类推后面的几列电池组）。
 

　　由上表3可知：主风道内气流流速减小较方案一小，能量损失较小；各电池表面平均风速均在1m/s左右，且分布均匀。 
 

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