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電動客車電池包熱管理系統(tǒng)CFD一維仿真分析及驗證

2020-02-28 14:29:36·  來源：《電動客車電池包熱管理系統(tǒng)CFD一維仿真分析及驗證》  
　
文章來源：《電動客車電池包熱管理系統(tǒng)CFD一維仿真分析及驗證》作者單位：比亞迪汽車工業(yè)有限公司0 引言動力電池包熱管理是電動客車的關(guān)鍵技術(shù)，目前常用的電池
文章來源：《電動客車電池包熱管理系統(tǒng)CFD一維仿真分析及驗證》
作者單位：比亞迪汽車工業(yè)有限公司

0 引言

動力電池包熱管理是電動客車的關(guān)鍵技術(shù)，目前常用的電池包散熱形式主要有風(fēng)冷及液冷兩種，電動客車動力電池包均采用液冷系統(tǒng)。冷卻流量分配的均勻性是系統(tǒng)內(nèi)各個電池包溫度分布均勻的前提，在進(jìn)行流固共軛換熱之前對系統(tǒng)內(nèi)單體電池包冷卻流量分配進(jìn)行分析十分重要。目前電池包液冷系統(tǒng)流量分配分析的常用手段是采用Starccm+等軟件進(jìn)行三維仿真。但該方法的前處理及計算工作量較大，對模型的修改及驗證周期較長，在汽車開發(fā)前期受開發(fā)周期限制，需有快速優(yōu)化手段，而CFD一維仿真分析可在前期設(shè)計階段滿足其需求。Flowmaster是一款專業(yè)的系統(tǒng)級熱流體一維仿真分析軟件，廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，具有建模簡單、計算快等優(yōu)點，修改模型十分方便，能顯著提高工作效率。本文基于該軟件，結(jié)合臺架實驗，以某電動客車電池包液冷系統(tǒng)設(shè)計為例，論述CFD一維仿真在電池包熱管理系統(tǒng)流量分析中的應(yīng)用。

1 仿真分析與驗證理論基礎(chǔ)

系統(tǒng)內(nèi)流量分配是系統(tǒng)各處壓力綜合作用的結(jié)果，粘性流體在管內(nèi)流動時應(yīng)滿足伯努利方程，即：
式中：Z為單位質(zhì)量流體所具有的位能，即被考察流體距基準(zhǔn)面的高度，稱為位頭；P/ρg為單位質(zhì)量流體所具有的壓強能，稱為壓頭；V2/2g為單位質(zhì)量流體所具有的動能，稱為速度頭；hw為粘性流體從位置1流到位置2所損失的能量，是沿程阻力損失與局部阻力損失之和。沿程阻力來源于各流體微元之間以及流體與固體壁之間的摩擦；而流體流經(jīng)各種局部阻礙（如閥門、彎頭、變截面等）時，由于流形變化、方向變化、速度重新分布，質(zhì)點間進(jìn)行劇烈動量交換而產(chǎn)生的阻力，是局部阻力。對于電池包液冷系統(tǒng)而言，沿程阻力損失占據(jù)了流動阻力損失的大部分，而通過設(shè)置局部阻力，則可以起到平衡各處流量的作用。

2 電動客車電池包熱管理系統(tǒng)CFD一維仿真分析及驗證

2.1 電池包熱管理CFD一維仿真分析研究

對某兩種典型布置形式的電動客車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)開展CFD一維建模及仿真分析，具體分析如下。

2.1.1 電池包串聯(lián)式熱管理系統(tǒng)一維仿真與優(yōu)化

通過對實際模型中管路直徑及長短等參數(shù)測量，建立熱管理系統(tǒng)中不同內(nèi)徑、不同長短、直角彎管、圓弧彎管、三通接頭等細(xì)節(jié)的參數(shù)化模型。該模型可節(jié)省三維仿真計算中的幾何清理及網(wǎng)格劃分工作，并可減少仿真模型建立所用時時間。圖1為某型電動客車電池包串聯(lián)式熱管理系統(tǒng)的CFD一維仿真模型。

該電池包熱管理系統(tǒng)中板式換熱器的流量-壓損曲線、水泵的P-Q曲線、單一電池包冷卻水套的流量-壓損曲線由實驗獲得。經(jīng)CFD一維仿真分析得到系統(tǒng)總流量為24L/min，各個電池包冷卻流量關(guān)系如圖2所示，具體流量值見表1所示。
由仿真結(jié)果可知，該熱管理系統(tǒng)單一電池包冷卻流量分配并不均勻，最大流量值為4.25L/min，最小流量值為2.36L/min，其流量分配呈現(xiàn)典型的兩頭高中間低趨勢。

單一電池包冷卻流量過低可導(dǎo)致電池包冷卻、加熱效果不能滿足設(shè)計需求，單一電池包冷卻流量過大可則導(dǎo)致水泵做功能力的浪費。同時單體電池包之間的散熱不均勻?qū)⒂绊懻麄€電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的性能。系統(tǒng)內(nèi)流量分配是系統(tǒng)內(nèi)各處壓力綜合作用的結(jié)果，在不改變主管路設(shè)計的基礎(chǔ)上，局部阻力是改變各處壓力分布的有效方法?？稍?、7、8號電池包進(jìn)液管路上增加不同內(nèi)徑的節(jié)流閥平衡流量，位置如圖1所示。仿真得到系統(tǒng)總流量值為23.92L/min，各單體電池包流量分配情況如圖3所示。由圖可以看出，優(yōu)化后的熱管理系統(tǒng)的單體電池包冷卻流量最大值為3.32L/min，最小值為2.72L/min，流量分配均勻性得到了提升。此外，還可以通過更改主管路來平衡流量。無論何種優(yōu)化方案，均可在CFD一維仿真模型中通過添加、刪除、移動部件來實現(xiàn)模型的更新，其過程較三維仿真分析而言，工作量及工作時間均有所減少，可在較短的開發(fā)周期內(nèi)實現(xiàn)熱管理系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。

2.1.2 電池包并聯(lián)式熱管理系統(tǒng)一維仿真與優(yōu)化

在對支路上有水泵的電池包熱管理系統(tǒng)進(jìn)行FlowmasterCFD一維仿真時，可反映出液體的流向，從而判斷有無內(nèi)部子循環(huán)形成。以另一電動客車電池包并聯(lián)式熱管理系統(tǒng)設(shè)計為例，建立其CFD一維仿真模型（圖4）。由圖可以看出板式換熱器及水泵2位于主管路上，兩個支路分別接有8個一組的電池包和2兩個一組的電池包，8個一組的電池包支路上連接水泵1，兩支路通過三通管分流及匯流。

經(jīng)CFD一維仿真得到冷卻液流向（圖4中箭頭所示），各部件冷卻液流量已在圖4中標(biāo)出。由于支路中水泵的存在，導(dǎo)致了冷卻液實際流向并未按照預(yù)期流動，8個一組的電池包支路實際變成了主回路，而2個一組的電池包及板式換熱器所在這一管路變成了支路。主回路35.6L/min的冷卻液只有26.1L/min流經(jīng)板式換熱器，該流向偏離了設(shè)計初衷。為解決上述問題，將水泵1移至主管路上可以避免出現(xiàn)內(nèi)部出現(xiàn)子循環(huán)。


2.2 電池包熱管理系統(tǒng)試驗驗證

為驗證CFD一維仿真在電池包冷卻流量分析中的準(zhǔn)確性，設(shè)計臺架實驗進(jìn)行對標(biāo)。實驗裝置由8個一組的電池包冷卻水套、水泵、板式換熱器、連接管路等部件組成。各部件連接如圖5所示，流動方向見圖中箭頭。試驗冷卻工質(zhì)采用50%的乙二醇混合50%的水而成，開啟水泵，測得實驗系統(tǒng)總流量為19.9L/min，各個電池包的冷卻流量值見表2實驗值。由表可以看出，實驗裝置中單體電池包冷卻液流量最大值為大4.5L/min，最小值為1.8L/min，由此可以得出各個電池包冷卻液流量分配并不均勻的結(jié)論。


對實驗裝置建立的CFD一維仿真模型如圖6所示。給定進(jìn)口流量為19.9L/min，設(shè)置相應(yīng)直管、彎管、三通管的直徑、長度、管壁粗糙度等值，仿真分析得到系統(tǒng)內(nèi)各個電池包的流量見表2仿真值，CFD一維仿真結(jié)果與臺架實驗對比結(jié)果如圖7所示，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合，兩者之間的誤差不超過7.2%，誤差在可接受的范圍內(nèi)，因此CFD一維仿真計算的結(jié)果準(zhǔn)確性滿足要求。

3 總結(jié)
基于某兩款電動客車電池包熱管理系統(tǒng)，詳細(xì)闡述CFD一維仿真在電池包冷卻流量分析及設(shè)計方案優(yōu)化中應(yīng)用。并通過搭建電池包熱管理系統(tǒng)實驗臺架，驗證了一維仿真分析在電池包熱管理系統(tǒng)冷卻液流量分析中的準(zhǔn)確性。
 
 
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