1、項目概述

    對于電動或混合動力汽車來說，最大的設(shè)計挑戰(zhàn)來自于電池。電車設(shè)計應(yīng)盡可能高效和輕便，比便提供充足能源保證汽車單次充電后的合理行車距離。影響電池工作性能的一項重要因素——溫度，既不能過高也不能過冷。因此，設(shè)計人員在汽車開發(fā)設(shè)計中必須全面考慮電池包的加熱與排熱控制。電池?zé)峁芾碇饕康氖蔷S持電池包工作在最佳溫度范圍，提高使用壽命和工作效率。

    在本案例中，開始設(shè)計過程中使用三維CFD FloEFD軟件建立電池組和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）精確仿真模型，開展惡劣工況仿真分析，建立表征預(yù)期工作條件范圍內(nèi)的工作特性。獲取電池包工作特性后，使用一維CFD程序Flowmaster開展系統(tǒng)級分析，快速分析部件之間相互作用，如在一個寒冷環(huán)境下的暖啟。

2、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分析模型

    FloEFD完全嵌入CAD環(huán)境中，可自動識別流體計算域。相比傳統(tǒng)CFD，仿真時間減少65～75%。FloEFD提供流量、壓降、傳熱等參數(shù)預(yù)測，可迭代分析快速評估電池包壓降和溫度等工作特性。

    系統(tǒng)仿真用來處理初期設(shè)計中遇到的高峰工況冷卻、冷啟動下的暖起、水泵與電池負(fù)荷的匹配。液冷型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有水泵、電池組、預(yù)熱器和水箱等組成。基于電機(jī)功率確定的單個電池?zé)嶝?fù)荷為30W。電池包的模擬可以采用集總元件方式來簡化模擬，本案例為中型規(guī)格6×8的電池組，F(xiàn)lowmaster系統(tǒng)仿真針對每個電池建立模型以獲取內(nèi)部溫度分布。

    1DFlowmaster仿真模型需要大量的部件特性數(shù)據(jù)，除使用已有的數(shù)據(jù)庫外，還可以集成3DFloEFD應(yīng)用可以為系統(tǒng)模型某元件提供特性參數(shù)。如獲取熱管理系統(tǒng)中壓降或傳熱系數(shù)。

3、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)工況分析

    （1）峰值冷卻分析

    一些參數(shù)可以在Flowmaster和FloEFD模型中共用，如最大散熱率。峰值冷卻分析是確定合適的冷卻流量保證鋰離子電池系統(tǒng)始終低于臨界溫度40℃（行業(yè)經(jīng)驗一般是30～40℃），這種惡劣工況應(yīng)確保能夠及時排除電池產(chǎn)生的熱量。

    恒定電池散熱量，通過參數(shù)化分析，在2～15l/min范圍內(nèi)改變水泵流量確定滿足低于40℃的最小冷卻流量。其中冷卻液為50/50乙二醇，環(huán)境溫度20℃。

   最小流量為9.5l/min時能滿足40℃的冷卻要求。在確定最小冷卻流量后，在FloEFD中針對電池包開展參數(shù)化分析，獲取不同流量、不同電池負(fù)荷下的電池包溫度分布特性曲面

    進(jìn)一步分析可確定水泵控制策略，如電池?zé)嶝?fù)荷20W是需要5.5l/m的冷卻流量，該流量滿足低于40℃的要求。

   （2）冷啟暖機(jī)

    與內(nèi)燃機(jī)不同，電動車沒有內(nèi)熱源。通常加裝PTC加熱器來加熱，在寒冷環(huán)境條件下的暖起過程需滿足一定標(biāo)準(zhǔn)（30min達(dá)到20℃）。模擬中改變水泵轉(zhuǎn)速和PTC熱功率來得到暖起時間。

    可知水泵轉(zhuǎn)速對暖起時間影響較小，即低轉(zhuǎn)速可以帶走更多熱量。因此，進(jìn)一步分析只需改變PTC加熱器熱功率。

  為能滿足30min在加熱到20的設(shè)計要求，該電池組系統(tǒng)需選擇功率為3kw的加熱器。

    本工況分析關(guān)注兩個指標(biāo)——前后電池暖起平衡時間和前后電池溫差大小。后端電池達(dá)到運行溫度20℃比前段多耗時5min。而前后溫差大小在5℃。如果該溫差過大超過設(shè)計值，可通過調(diào)整冷卻流量、PTC加熱功率以及電池包結(jié)構(gòu)來改善溫度不均勻性。

4、項目結(jié)論

    本案例顯示了如何使用先進(jìn)的1DFlowmaster和3D FloEFD模擬技術(shù)對電動汽車電池組熱管理復(fù)雜系統(tǒng)開展設(shè)計分析。在部件級層次，F(xiàn)loEFD用于研究分析熱管理系統(tǒng)詳細(xì)的流動和換熱行為，確保電池組工作性能可靠。識別任何不可接受的設(shè)計，如不合理的流動布置或極端的溫度梯度。在系統(tǒng)層次，結(jié)合Flowmaster模擬整個電池冷卻系統(tǒng)，分析部件的相互影響，確保正確的系統(tǒng)性能。

    在早期CAD設(shè)計過程中同步使用FloEFD仿真，相比傳統(tǒng)CFD工具，模擬時間可以減少高達(dá)65～75％。進(jìn)一步結(jié)合使用Flowmaster，系統(tǒng)工程師可以在有限的開發(fā)時間內(nèi)獲得最佳設(shè)計效率。