朱张旺

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

随着环境污染和能源紧缺问题的日益严重，新能源汽车越来越受到重视。纯电动客车作为新能源汽车家族中的一员，目前已成为研究热点。动力电池是电动汽车的核心部件之一，其中锂离子电池因其电压高、循环好、无记忆效应、比能量高以及无污染等特点，常被作为动力电池，但在其充放电过程中因受极化热、反应热和焦耳热等影响会产生较多热量，从而促使电池的温度上升[1]。而动力电池对工作温度有一定要求，若超过工作温度范围，则其就不能正常工作。

纯电动客车在行驶时，动力电池处于大电流放电状态，尤其在加速和上坡过程中，电流可达几百安培，产生大量的热量[2]；并且为满足防护要求，动力电池箱体防护等级为IP67。目前电池箱体冷却方式为自然风冷，主要靠车辆运行时车内空气流动进行散热。磷酸铁锂电池工作温度为-20℃～60℃，而我国夏季大部分地区温度最高可达40℃，因此合理的电池舱结构和电池布置，是保证纯电动客车正常运行的必要条件。

本文以某型号纯电动客车为例，选用磷酸铁锂动力电池，安装布置在车尾后舱位置，共8箱电池，每箱电池108个电池单体，额定容量273.6 kC。为保证客车安全运行，设定电池温度为60℃，车辆强行停止运行，电机停止转动。为方便电池散热，该电池箱体内部电池单体采用单层布置，电池箱体内部布置如图1所示。

图1 电池箱体内部布置

1 电池产热量计算

热力学第二定律指出：凡是有温差存在的地方，就有热能自发地从高温物体向低温物体传递。电池箱体的冷却散热，就是利用冷却介质同电池间的温差，将电池工作时产生的热量带走，防止电池温度过高带来的种种不利影响。

电池产热量的计算应用 Bernardi[3]等人提出的理论计算公式。该模型假设电池内部各处的产热相同，表达式为：

(1)

式中：Φ为电池的发热功率(W);I为电池的电流强度(A)；E0为电池的开路电压(V)；E为电池的端电压(V)；T为电池的温度(℃)；dE0/dT为温度影响系数，对特定的电池一般为常量，这里取0.5 mV/℃[4]。

E0-E可以表示为IR,R为单体电池内阻[5]，在电池不过充过放的条件下，可定为常数，这里的值为0.8 m， 因此式(1)又可以写为：

(2)

2 电池舱仿真模型

电池舱内电池布置为4层，每层2箱电池，如图2所示。电池箱的下方为电动机，电动机位于客车底部，与外界环境直接接触，对电池散热影响较小，故在此文的仿真中不予考虑。电池箱的支撑梁为方钢，所占空间较少，对电池的散热影响较小。为了提高仿真效率，仿真模型对其不考虑，并对门缝等细节进行简化。为保证电池散热，电池舱2侧舱门、左侧下方舱门和后舱门均设计了格栅，底部与外界相通，右侧下方为无格栅的充电口舱门。车辆行进时，气流通过侧面格栅进入，从车辆后舱门格栅与车辆下方流出，同时蒙皮为铁质，也参与电池舱的换热。图3为电池舱横截面示意图，图4为简化后的电池舱仿真模型。

图2 客车三维模型示意图

图3 电池舱横截面示意图

在图4的电池舱仿真模型中，左、右电池舱门和左侧下舱门格栅为气体入口处，采用速度入口边界条件，底部以及后舱门格栅处为气体出口处，采用压力出口边界条件，蒙皮和电池组均采用壁面边界条件，其具体数值的采用介绍如下。

图4 电池舱仿真模型

由于客车在城市道路运行，一般运行速度为30～50 km/h，约为8～14 m/s，本文取气流入口速度为10 m/s；出口处与外界环境相通，故出口边界设定为环境压力，外界环境温度为40℃；蒙皮表面有气流流过，设定对流换热边界条件；电池设定为体积热源，需要设定产热量，其值根据公式(2)，电流选取273.6 kC,可得出单体电池产热量为3.1 W，每箱由108个单体组成，产热量约335 W；蒙皮与外界环境接触，故其初始温度为40℃。

本文气流入口速度采用10 m/s，经计算其马赫数小于0.3，雷诺数为9 200>2 320，故气体视为不可压缩，气流选为湍流模型。

3 CFD仿真分析[6]

根据第2节的分析，对电池舱的简化模型设置相关的边界条件，并进行CFD仿真分析，得到电池箱表面温度分布图，如图5所示。

图5 电池箱表面温度分布

从电池箱的表面温度云图中可以看出，车辆运行时，电池箱的最高温度约为45℃，最低温度约40℃。

电池舱内的流场分布如图6所示。

图6 电池舱内的流场分布图

从图6可以看出，气体经过格栅后流速增大，流动迹线也较多，因此在上方的左、右格栅处的电池箱表面温度最低，而右下角处气体流速相对较小且流动迹线较少，从而此处的对流换热量较少，因此电池箱表面的最大温度出现在右下角的电池箱。从图6中可看出，从左下侧格栅进入的气体，基本直接从底部流出，没有参与电池箱的换热，但上方经换热后的气体流入到下方时，则被其快速带出舱体，提高了换热效率，并且从左下侧格栅进入的气体流经电动机，提高了电动机的散热性能。

根据CFD分析结果可知，电池的温度处于其正常工作范围内，因此电池舱结构和布置满足动力电池正常工作需求。

4 实验数据分析

某地7月中的某日气温为32℃～42℃，对该型号纯电动客车全天运行时的电池温度数据进行采集，在每箱动力电池中的不同位置安装6个温度传感器，测量电池箱体内部不同位置温度。将电池在不同时刻测得的最小温度和最大温度绘制成曲线，如图7所示。

图7 电池极值温度曲线

由图7可见，在客车全天运行时间内，电池箱体内部温度随环境温度变化；在下午运行时，电池的最低温度为40℃，最高温度为47℃，低于电池安全工作最高温度60℃。

5 结束语

本文对某型号纯电动客车的动力电池散热进行了仿真分析，结果表明客车以10 m/s的速度运行在外界温度为40℃的环境时，电池舱内和电池的最高温度低于60℃，满足电池放电时正常的温度范围-20℃～60℃。通过采集客车实际运行时的电池温度数据，也表明了电池舱结构的散热性能可满足动力电池的正常工作要求，同时实验在高温时段测得的电池温度与仿真结果相差不大，验证了仿真模型的有效性和仿真结果的可参考性。所以该车的电池舱结构和布置完全满足客车的正常运行需求。