纯电动汽车热管理分析及验证

动力电池作为电动汽车的核心零部件之一，直接影响着电动汽车产业化的进程。由于汽车实际行驶中加速、匀速、减速工况频繁变换，加之低温、高热的外部环境等，依靠传统的理论计算或经验分析，不能满足纯电动汽车热管理需求，而需要借助较成熟的CFD技术来对动力电池热管理进行较准确的评估与分析，合理优化电池包内部热环境，提高其安全性、可靠性。

1  热管理系统架构及工作原理

动力电池在充放电过程中，尤其在大电流充放电时，电池本身会产生温升，进而影响电池安全性能。另外，电池包内不同单体电池温度不均会导致电池容量分布不均，缩短整体电池包使用寿命。这些问题都需要通过设计高效的热管理系统来解决，而且能在一定程度上降低整车能耗。

1.1  热管理系统架构

某纯电动汽车热管理系统采用双蒸发器系统，其架构如图1所示，即利用纯电动汽车电动压缩机产生的制冷量通过在动力电池包内部增加的副蒸发器给电池包冷却，达到乘员舱、电池包同时冷却的目的。



双蒸发器热管理系统通过冷媒管路将用于冷却乘员舱的主蒸发器和用于冷却电池包的副蒸发器从压力传感器后分成两条并联支路，每一条支路中都接有电子膨胀阀和蒸发器，可实现两条支路独立控制。为防止主、副蒸发器与压缩机之间存在差距过大的压力，需在主、副蒸发器与压缩机之间连接压力平衡装置。

动力电池包内设置的副蒸发器通过布置在其表面的小型风扇吹拂周围空气达到制冷的目的，其布置示意图如图2所示。



1.2  热管理系统工作原理

双蒸发器热管理系统工作原理如下:

1)开启空调。空调控制器首先根据用户命令开启图1中的电子膨胀阀1以开启主蒸发器，此时空调压缩机开启，空调制冷启动。同时，空调控制器还接收电池热管理系统发出的电池降温需求指令。根据该指令，空调控制器开启图1中的电子膨胀阀2以开启副蒸发器，实现电池降温。

2)关闭空调。空调控制器根据用户命令关闭图1中的电子膨胀阀1，此时如果电池热管理制冷需求仍存在，则只关闭主蒸发器功能。同理，如果电池热管理制冷需求指令消失，但是用户制冷需求存在，则只关闭副蒸发器功能。只有在图1中的电子膨胀阀1和2均接收到断开指令时，空调压缩机才停止工作。

2  电池热管理系统仿真分析及验证

该纯电动汽车热管理系统高温冷却方式采用空气冷却冷凝器，通过蒸发器制冷实现电池冷却。由于动力电池的低温加热功能使用另外一套热管理系统，故本文仅针对纯电动汽车动力电池包的高温冷却进行研究。

2.1  电池系统冷却仿真模型建立

1)电池包3D模型。利用Icepak软件可采用自建模型或将复杂模型导入两种方式建立该纯电动汽车电池的3D模型。其主要部件包括电池包外壳、电池单体、电池模组、离心风机等。为了保证分析结果精度，需要考虑模组内单体电池之间的间隙。建立的电池包3D模型如图3所示。



2)流体数学模型。流体传热过程中都受物理守恒定律制约，基本的守恒定律包括:质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等。

质量守恒定律:



式中:ρ为密度;t为时间;u、v和w是速度矢量在x、y和z方向的分量。cp是比热容;T为温度;k为流体的传热系数;ST为流体的内热源。

3)网格划分。根据建立的动力电池包几何模型，使用六面体网格、多级网格、局部加密网格，划分出高质量的空间封闭网格，并将处理后的网格模型进行几何错误或间隙的检查，划分的网格如图4所示。



2.2  仿真结果及分析

2.2.1  电池包高温冷却稳态仿真

利用电池包稳态分析结果可以发现电池包的温度分布趋势，对电池包成组设计及改进起到重要的作用。



从图5电池包内部迹线分布可以看出，电池包流体分布比较均匀。

从图6电池包高温冷却稳态温度分布可以发现，迹线分析是合理的，电池包在流体分布均匀的区域温度也相对均匀。



2.2.2  电池包高温冷却瞬态仿真

对电池包进行瞬态分析与实际情况更接近，并能够利用试验验证仿真分析的准确性(见图7)。



电池包高温冷却环境温度为40℃，电池包进风口位置温度为19℃，采用1C放电。通过对电池包进行瞬态分析，电池包在1C放电1h最大温差为7.1℃，最高温度为37.2℃，满足热管理高温冷却要求。

2.3  动力电池冷却试验验证

将整车放置于环境舱内，并将环境温度设置为电池包仿真时极限温度，待环境舱温度满足试验要求时即可开展热管理试验。

某纯电动汽车动力电池包本体共布置了5个温度采集点(T1～T5)。试验开始前，需安装好试验仪器，确认车辆状态，并启动汽车进行预热;关闭车门、车窗、开启空调;空调模式选择面风模式，空调温度设置24℃，风速调整中间挡;预热约30min后，汽车进入最高速运行状态，试验开始并记录各测温点的温度，数据每隔5min测量一次，试验结果见表1。

试验前后，动力电池最高温度为57℃，试验时间约为65min，试验开始后任意30min内，电池包各单体最大温升≤22℃，各单体平均温升≤20℃，各单体平均温差≤12℃，电池包最高温度≤60℃，均满足设计指标。



3  结束语

电池热模型研究是电池热管理设计过程中重要组成部分，采用双蒸发器结构设计满足纯电动汽车热管理需求，利用Icepak软件进行热管理仿真分析，能够反映电池包温度分布趋势，且分析结果与试验数据差距较小，说明Icepak应用于新能源电动车电池包仿真分析是可行的，对温度传感器布置的数目及位置起到指导作用。