動力鋰電池pack設(shè)計中的熱流體仿真分析

動力鋰電池pack設(shè)計中的熱流體仿真分析摘要：鋰電池Pack設(shè)計需要保證電池始終處在一個比較舒適的溫度環(huán)境（電池溫度范圍：15-40；電池之間的溫差：5-10）下工作，從而保證整車的長壽命、良好的續(xù)航里程性能、良好的功率性能以及較短的充電時間。鋰電池Pack設(shè)計中往往會借助熱流體仿真分析來輔助工程師完成pack熱管理系統(tǒng)設(shè)計，本文從現(xiàn)狀出發(fā)，介紹了鋰電池pack設(shè)計中的必備理論知識以及仿真工具，并深入研究了的熱流體仿真的基本理論。關(guān)鍵詞：鋰電池pack 熱流體 仿真1 pack熱管理設(shè)計流程概述在熱管理系統(tǒng)設(shè)計階段，可對Pack、模組或電池進行熱場仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果快速地選擇出冷卻、加熱和保溫方式；在冷卻子系統(tǒng)設(shè)計階段，可以對Pack、模組或電池（帶冷卻子系統(tǒng)）進行熱場和流場仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果確定冷卻通道設(shè)計、冷卻介質(zhì)、冷卻入口溫度和流量以及風(fēng)扇或泵的參數(shù)等。借助熱流體仿真分析工具，大部分的Pack熱管理設(shè)計工作和部分測試工作都可以在電腦上完成。大量的設(shè)計、制造、測試工作可以被省略，Pack設(shè)計的成本也會大幅度下降。2.基礎(chǔ)知識簡介和常用熱流體仿真工具介紹熱流體仿真工程師需要具備相關(guān)的理論知識和工程經(jīng)驗。此外，仿真往往需要借助一些工具。2.1仿真工程師必備的知識Pack熱流體仿真工程師需要具備以下三個方面的技能和經(jīng)驗：1） 堅實的熱流體理論基礎(chǔ)。具備完善、扎實的熱流體理論知識，能對工程中的傳熱與流動問題進行理論分析。2） 扎實的數(shù)學(xué)功底。熱流體仿真分析是將熱流體物理現(xiàn)象抽象成數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值方法進行求解。3） 豐富的工程實踐經(jīng)驗。對于不同的問題能夠進行合理的模型簡化，能夠結(jié)合自己的工程經(jīng)驗對實際問題進行評估并提出解決方案。2.2熱流體仿真軟件介紹熱流體仿真軟件大體分為三類：前處理軟件、求解器和后處理軟件：常用的前處理軟件主要有Gambit、ICEM-CFD、Ansys Workbench等；求解器主要有Ansys Fluent、FloThermal、Star CCM+、X-flow、AVL Fire等；后處理軟件主要有Tecplot、Anasys Workbench等。在某些情況下，還需要仿真工程師根據(jù)實際情況編寫一些仿真程序。常用的編程語言有Fortran、Matlab、C/C+等。3.熱流體仿真基礎(chǔ)理論熱流體仿真是將工程中涉及的傳熱和流體流動的物理現(xiàn)象用數(shù)學(xué)模型進行描述，然后利用數(shù)值方法對這些數(shù)學(xué)模型進行求解并得到相關(guān)的物理量（如溫度、流體速度、流體壓力等），進而為工程設(shè)計提供指導(dǎo)。3.1傳熱與流體流動理論基礎(chǔ)3.1.1熱傳遞的三種方式熱傳遞的三種基本形式是：傳導(dǎo)、對流和輻射。當物體之間直接接觸時，依靠微觀粒子熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為導(dǎo)熱。氣體中的導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)則熱運動的結(jié)果。導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱是自由電子在晶格中互相碰撞的結(jié)果。非導(dǎo)電固體中的導(dǎo)熱是通過晶格的振動來實現(xiàn)的，即一種彈性波。液體中的導(dǎo)熱機理，一種認為與氣體類似，另一種認為與非導(dǎo)電固體類似。導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)通過給定截面的熱量，正比于垂直于該截面方向上的溫度梯度。即傅里葉導(dǎo)熱定律，式（1）是其數(shù)學(xué)描述 （1）式中，-表示熱量傳遞方向與溫度升高的方向相反：為單位時間內(nèi)通過截面的熱量；為物體的導(dǎo)熱系數(shù)；A為截面面積；T為物體溫度；x為垂直于截面方向上的維度。工程中將流體流過固體表面時熱量的傳遞過程稱為對流換熱。對流換熱包括導(dǎo)熱和熱對流兩種現(xiàn)象。熱對流是指由于流體宏觀運動引起的冷、熱流體相互摻混，進而導(dǎo)致的熱量傳遞的過程。固體與流體界面通過對流換熱傳遞的熱量可以通過牛頓冷卻公式進行計算，如式（3）所示。 （2）式中，為單位時間內(nèi)通過界面的熱量；h為對流換熱系數(shù)；A為固體與流體接觸面積；Tw 為接觸面固體的溫度；Tf 為流體的溫度。輻射換熱則是由物質(zhì)的電磁波運動引起的熱量傳遞過程。輻射換熱可以在真空中進行。3.1.2流體動力學(xué)控制方程流體力學(xué)研究的是流體的宏觀平衡和運動規(guī)律。描述流體動力學(xué)機理的數(shù)學(xué)模型可通過基本物理原理推導(dǎo)出來：通過質(zhì)量守恒定律可推導(dǎo)出連續(xù)性方程；通過牛頓第二定律可推導(dǎo)出動量方程；通過能量守恒定律可推導(dǎo)出能量方程；。對于一個流體微元，質(zhì)量守恒定律可解釋為單位時間內(nèi)流體微元質(zhì)量的增量等于通過流體微元邊界流入的凈質(zhì)量。可以表示成式（3） （3）式中，為物體的密度；t為時間；x，y，z為笛卡爾坐標的三個維度；u、v、w分別為流體在x、y、z方向的分速度。動量守恒定律可以解釋為流體微元動量隨時間的變化率等于流體微元所受外力之和。可表示成式（4）、（5）（6）。 （4） （5） （6）式（4）、（5）、（6）分別為x、y、z方向的動量方程，p為流體的壓力；ab為作用在a平面上指向b方向的應(yīng)力；fx、fy、fz分別為作用在流體上的體積力在x、y、z方向上的分加速度；能量守恒定律可以解釋為流體微元內(nèi)能量的增加率等于進入流體微團的凈熱量加上體積力和表面力對流體微元做的功?？杀硎境桑?）（7）式中，e為流體的內(nèi)能（J）。3.1.3邊界條件指在求解域的邊界上給定未知函數(shù)或未知函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)的值。大體可分為三類：第一類邊界條件給定了未知函數(shù)在邊界上的數(shù)值；第二類邊界條件給定了未知函數(shù)在邊界外法線方向上的導(dǎo)數(shù)值；第三類邊界條件給定了未知函數(shù)與邊界外法線方向?qū)?shù)的線性組合。3.2偏微分方程的離散方法解析方法只能求解少數(shù)簡單的熱流體偏微分方程。在求解之前需要把偏微分形式的控制方程組變成離散方程組。常見的離散方法有三種：有限容積法、有限差分法和有限單元法。3.3離散方程組的求解通過FVM、FDM或FAM將熱流體的控制方程離散后，都可表示成式（8）所示。A=b （8）式中，A為系數(shù)矩陣：為待求的未知量矩陣；b：廣義源項矩陣。一般采用數(shù)值方法求解式（9）所示的離散方程組。常用的方法有Jacob迭代法、Gauss消元法、TDMA、ADI和共軛梯度法等。4 結(jié)論本文從電池pack設(shè)計的熱管理流程入手、對流體熱管理基礎(chǔ)知識和常用熱流體仿真工具進行了介紹，并深入分析了熱流體仿真的基礎(chǔ)理論，為Pack的熱流體仿真設(shè)計分析提供了一種思路和方法，對于pack的熱流體仿真設(shè)計具有參考意義。參考文獻1 王芳、夏軍 等.電動汽車動力電池系統(tǒng)安全分析與設(shè)計M.北京:科學(xué)出版社,2016.2EN 1987-1.Electrically