论文:纯电动车电池包热管理系统仿真分析及整车应用研究,周坤,2018年
3. 电池包及整车热管理系统建模
使用GT-SUITE软件搭建一套能够与整车热管理系统进行耦合仿真的电池包拟三维模型。GT-SUITE基本框架如图所示。
一个由 192 个 70Ah 电芯组成的电池包,考虑电池内部的复杂程度,为满足仿真精度,该模型的 CFD 网格数量大约为 2000 万。在 NEDC 工况放电-1C 快充工况下,需要 128 核 HPC 连续计算 200 小时以上。因此考虑采用一种更简单的电池包等效电路模型描述各电芯的发热过程。
3.1三维电池包
电池包主要考虑电芯-水冷板-冷却液散热,电芯-支架-外壳-外部环境散热,电芯-包内空气-外壳-外部环境散热这三个途径。
3.2主要质量单元
考虑电芯,水冷板,空气,外部环境。
3.3 等效电路模型
包括电池模组和电池包
3.4 拟三维电池包标定
由于在拟三维电池包建模过程中,部分参数为未知量或不易用实验测得,所以需要根据电池台架充放电实验及三维仿真结果对部分未知参数进行标定矫正,主要修正电芯-冷却液之间的热传递和外部环境-冷却液之间的热传递。仿真标定工况为电池包位于 45℃环境舱内进行充放电试验,在充满电的情况下首先进行NEDC 循环放电,然后进行 1C 快充。水冷板进口通过恒定温度20℃,恒定流量 10L/min 的冷却液,检测电池温度和冷却液出口水温的变化情况。
模型的构建之后,建立一维的系统模型。
建立的一维模型结构为
整车热管理系统的一维建模过程,将热管理系统的建模分成三个部分,主要有拟三维电池包建模,整车热管理系统建模以及控制系统建模(这里略)。
4. 整车工况电池包热管理系统仿真验证及优化
典型试验工况有高温快充、低温快充、低温实车行驶工况。
我国夏季南方部分地区的最高温度可以达到 40℃ ,根据锂离子电池的温度特性,当电池进行大功率充放电时电池本体会产生大量热,在此环境温度下,需对电池进行降温保护,否则出现电池温度上升至极限工作温度,影响电池的使用寿命,甚至会引发电池热失控使车辆自燃。
考虑冬季极端条件下,在部分极寒地区,实际车辆使用环境会达到-20℃以下,根据锂离子电池的温度特性,在温度低于零度时,对电池进行大电流充电,可能电池负极会锂结晶,从而造成微短路,严重的可能爆炸。
试验工况如下
由于电动车热管理系统涉及多个回路,涉及多个控制元器件:电池包水泵、PTC 水泵、空调压缩机、风扇、PTC 发热量等,其控制策略的制定需要考虑诸多方面的因素,由于控制变量多,使用试验的方法对控制策略优化往往耗时长,且浪费人力物力。通过软件仿真平台的使用对控制策略优化,可节省大量试验时间,降低试验成本,由于仿真平台可以监测试验中难以监测的变量,其优化方向更加直接。
一维仿真可以用在控制策略的优化上。
需要完善的地方,
电池包的三维热流耦合仿真模型过于复杂,三维仿真的应用和优化研究较少,整车一维仿真模型仿真精度有待进一步提高,整车热管理系统一维仿真工具的进一步使用的研究不足。