基于高速工况的电池包散热能力研究
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摘 要：利用Advisor软件搭建纯电动汽车模型，在高速工况（ Highway Fuel Economy Test，HWFET）下对纯电动汽车进行动态仿真分析，得出此工况下动力电池的输出电流分布。使用现有的试验条件求得动力电池产热量曲线，并以此作为电池仿真分析的热源模型。利用流体动力学软件STAR-CCM+分析纯电动汽车在HWFET工况下运行时，动力电池包的散热能力。
关键词：高速工况；动力电池；电池产热量；动态仿真；电池散热
中图分类号：U469.72文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.02.08
随着社会的进步以及环境问题的不断升级，新能源产业得到蓬勃的发展，而新能源汽车以其噪声低、污染小的优点得到世界各国的普遍重视，作为电动汽车核心部件的动力电池也自然成为很多学者的研究重点。电池组温度的一致性直接关乎动力电池的寿命，是电池研究的核心领域，因此，很多学者将精力投入到电池热管理的研究当中。姬芬竹等[1]对锂离子电池的生热速率进行了讨论，并利用Fluent软件对电池的散热系统进行了分析。雷志国等[2]以锰酸锂电池为研究对象，探究了电池的低温性能，并对低温加热方法进行了讨论。周萌等[3]对动力电池的液冷热管理系统进行分析，并获得了较为良好的冷却效果。但现阶段大多数研究工作都没有将汽车实际运行工况与动力电池的热管理相结合，更侧重于理论性。本文基于汽车的实际高速运行工况，对纯电动汽车动力电池的散热特性进行研究，具有更加重要的实际意义。
2 电池动态特性分析
当电动汽车实际运行时，动力电池的输出电流并非是一成不变的，而是随着路况的变化而不断变化的。通过Advisor软件搭建纯电动汽车仿真模型，可以分析电池输出电流的变化规律，为动力电池的散热性能分析提供前提。
2.1 HWFET工况
汽车的理论运行工况很多，一般用于分析的有新欧洲驾驶循环（The New European Driving Cycle，NEDC）工况，美国的FTP75工况以及日本的JC08工况等，虽然这些工况主要用于轻型车排放油耗试验，但也同样适用于汽车其它方面的性能测试。
HWFET工况是公路行驶工况，也是高速行驶工况，该工况历时765 s，总行程 16.45 km，汽车的平均行驶速度为77.7 km/h，HWFET运行工况如图1
所示。
2.2 动态仿真分析
仿真分析时，汽车运行工况为高速工况，整车质量为1 200 kg，电机的峰值功率50 kW，锂电池容量为60 Ah。利用Advisor软件搭建的仿真模型如图2所示。
通过仿真分析，可以得出在HWFET工况下，纯电动汽车动力电池输出电流曲线，具体电流变化规律如图3所示。
动力电池输出电流曲线反映了电流随时间（路况）的变化规律，从电流变化曲线中可以清楚地看出，在HWFET工况下，动力电池输出电流几乎全部低于80 A，即当电动汽车在此高速工况下行驶时，输出电流最高为80 A。
因此，基于上述分析结果，我们对电动汽车进行产热及散热特性分析时，选择其工作电流为81 A，由于电池容量为60 Ah，也即令电池以1.35 C放电倍率持续运行，研究电池包的散热特性。
3 搭建电池包模型
3.1 模型前处理
根据整车布置需求，电池包设定为阶梯式外形结构，电池为最常用的锂离子电池，冷却方式为并行冷却[5]。
首先利用三维建模软件CATIA搭建电池包模型，由于理论分析时只需要与流体接触的表面，因此，在模型前处理过程中，去除电子电器件以及外表面的支架和螺栓等对理论分析影响不大的几何结构，并对其进行适当的简化。将简化后的电池包结构进行网格划分，经过几何清理和网格划分后的结构如图4所示。
3.2 模型计算参数
在进行分析时，由于研究动力电池散热性能随时间的变化规律，因此选择瞬态分析。流体速度较快，绝大部分处于湍流状态且流线弯曲程度较大，故选择Realizable K-epsilon湍流模型。动力电池作为均匀体积热源，并耦合能量方程[6]。
3.3 模型边界设定
在进行计算流体动力学分析时，边界条件准确与否直接关系到仿真结果的精确性，因此需给定符合实际和物理规律的边界条件。
计算过程中，电池组的初始温度为30 ℃，电池包与电池包外空气换热为自然对流换热，其它具体边界条件见表1[7]。
4 电池包散热特性分析
在对电池组进行瞬态分析时，让电池组以1.35 C的放电倍率持续放电30 min，分析其散热效果[8]。
4.1 数值仿真分析结果
4.1.1 电池包内气流速度场分析
当气流以4 m/s的速度进入电池包时，电池包内的气流分布状况如图5所示。
从电池包内气流组织分布图中可以粗略地看出，电池包内上下部气流分布较为良好，而流经电池组两侧壁面附近的气体较少，整体上看，气流组织良好。
流线图可以反映气流的大致分布状况，但很难反映具体气流分布状况，如电池包壁面处的气流几乎无法反映出来，因此，需要对电池包内速度场作进一步分析。截取电池包中心截面，截面上的速度矢量分布如图6所示[9]。
从电池组的中心截面速度矢量分布图中可以看出电池包进口侧速度较快，出口侧速度较慢，阶梯形拐角处速度更慢一些，气流速度只有0.5 m/s左右。
综上可知，气流总体组织状况较为良好，流速分布也比较均匀，但阶梯形拐角结构处气流组织稍差，流速较低，这可能会引起局部温度偏高。
4.1.2 电池组温度场分析
速度场可以从整体上分析气流的分布状况以及气流组织的合理性，但却无法直观地反映电池包的散热效果，因此，需对电池组温度分布进行讨论。截取z方向（图6）的电池组中心截面，中心截面的温度场云图可以反映出电池组的最高温度，同时，该截面处的最低温度也与整个电池组的最低温度相差不大。因此，可以用中心截面温度云图来评价电池包的散热性能，其温度场云图如图7所示。
从电池组的中心截面温度分布图中可以看出，整个截面的温度分布较为均匀，在阶梯形拐角位置处温度略高，这也与速度场分析结果相吻合。截面的平均温度为32.833 ℃，最大温差也接近10 ℃，但截面处各电池单体的温差较小，均在2 ℃左右。整体上看，该并行冷却系统的散热效果良好，满足一般乘用车电池热管理系统的冷却要求。
为进一步研究散热系统在不同挡位下的冷却性能，增加进口风速，研究其它挡位下电池包的散热性能。
4.2 进口风速对电池散热的影响
分别对电池包在进口风速6 m/s（中挡位）和8 m/s（高挡位）时的电池组进行仿真分析，得到不同风速下的电池组平均温度及温差见表2。
将表2中的电池组中心截面平均温度和电池组温差绘制成随风速变化的曲线，如图8所示。
由图8可知，随着进口风速的提高，电池组的平均温度和温差都在逐渐降低，但电池组的温差降幅已逐渐变缓。因此，通过增加进口风速可以有效降低整个电池组的平均温度和温差，但过高风速对降低电池组温差的效果并非十分理想，也就是说并非冷却系统挡位越高，降温效果越好。选择合适的风速（挡位）既能达到良好的散热效果，又能节约能源。
5 结论
（1）采用Bernardi生热模型，通过试验计算出电池的产热速率和比热容。
（2）利用Advisor软件搭建纯电动汽车模型，并分析动力电池在HWFET工况下的动态特性，得到电池输出电流的分布，为后续电池包散热分析提供前提。
（3）在1.35 C放电倍率下，对电池组进行瞬态仿真分析，得到电池包内速度场和电池组中心截面的温度场分布。结果显示截面处整体温度均匀，局部温度略高，在并行冷却结构下电池组散热效果良好。
（4）基于仿真分析，得到电池组平均温度及温差随进口风速的变化曲线。该曲线显示随着进口风速的提高，可有效降低电池组平均温度，但对于降低电池组温差，效果并非十分理想。
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