电动汽车电池热管理Flowmaster和FloEFD应用

1、项目概述

对于电动或混合动力汽车来说，最大的设计挑战来自于电池。电车设计应尽可能高效和轻便，以便提供充足能源保证汽车单次充电后的合理行车距离。影响电池工作性能的一项重要因素——温度，既不能过高也不能过低。因此，设计人员在汽车开发设计中必须全面考虑电池包的加热与排热控制。电池热管理主要目的是维持电池包工作在最佳温度范围，提高使用寿命和工作效率。

在本案例中，开始设计过程中使用三维CFD FloEFD软件建立电池组和电池热管理系统（BTMS）精确仿真模型，开展恶劣工况仿真分析，建立表征预期工作条件范围内的工作特性。获取电池包工作特性后，使用一维CFD程序Flowmaster开展系统级分析，快速分析部件之间相互作用，如在一个寒冷环境下的暖启。

2、电池热管理系统分析模型

FloEFD完全嵌入CAD环境中，可自动识别流体计算域。相比传统CFD，仿真时间减少65～75%。FloEFD提供流量、压降、传热等参数预测，可迭代分析快速评估电池包压降和温度等工作特性。

系统仿真用来处理初期设计中遇到的高峰工况冷却、冷启动下的暖起、水泵与电池负荷的匹配。液冷型电池热管理系统有水泵、电池组、预热器和水箱等组成。基于电机功率确定的单个电池热负荷为30W。电池包的模拟可以采用集总元件方式来简化模拟，本案例为中型规格6×8的电池组，Flowmaster系统仿真针对每个电池建立模型以获取内部温度分布。

1D Flowmaster仿真模型需要大量的部件特性数据，除使用已有的数据库外，还可以集成3D FloEFD应用，可以为系统模型某元件提供特性参数。如获取热管理系统中压降或传热系数。

3、电池热管理系统工况分析

（1）峰值冷却分析

一些参数可以在Flowmaster和FloEFD模型中共用，如最大散热率。峰值冷却分析是确定合适的冷却流量保证锂离子电池系统始终低于临界温度40℃（行业经验一般是30～40℃），这种恶劣工况应确保能够及时排除电池产生的热量。

恒定电池散热量，通过参数化分析，在2～15l/min范围内改变水泵流量确定满足低于40℃的最小冷却流量。其中冷却液为50/50乙二醇，环境温度20℃。

由上图计算结果可知：最小流量为9.5l/min时能满足40℃的冷却要求。在确定最小冷却流量后，在FloEFD中针对电池包开展参数化分析，获取不同流量、不同电池负荷下的电池包温度分布特性曲面，如下图：

进一步分析可确定水泵控制策略，如电池热负荷20W是需要5.5l/m的冷却流量，该流量满足低于40℃的要求。

（2）冷启暖机

与内燃机不同，电动车没有内热源。通常加装PTC加热器来加热，在寒冷环境条件下的暖起过程需满足一定标准（30min达到20℃）。模拟中改变水泵转速和PTC热功率来得到暖起时间。计算条件和结果见下表：

可知水泵转速对暖起时间影响较小，即低转速可以带走更多热量。因此，进一步分析只需改变PTC加热器热功率。结果如下图：

由上图可知：为能满足30min在加热到20的设计要求，该电池组系统需选择功率为3kw的加热器。

本工况分析关注两个指标——前后电池暖起平衡时间和前后电池温差大小。由上图可知：后端电池达到运行温度20℃比前段多耗时5min。而前后温差大小在5℃。如果该温差过大超过设计值，可通过调整冷却流量、PTC加热功率以及电池包结构来改善温度不均匀性。

4、项目结论

本案例显示了如何使用先进的1D Flowmaster和3D FloEFD模拟技术对电动汽车电池组热管理复杂系统开展设计分析。在部件级层次，FloEFD用于研究分析热管理系统详细的流动和换热行为，确保电池组工作性能可靠。识别任何不可接受的设计，如不合理的流动布置或极端的温度梯度。在系统层次，结合Flowmaster模拟整个电池冷却系统，分析部件的相互影响，确保正确的系统性能。

在早期CAD设计过程中同步使用FloEFD仿真，相比传统CFD工具，模拟时间可以减少高达65～75％。进一步结合使用Flowmaster，系统工程师可以在有限的开发时间内获得最佳设计效率。