動(dòng)力鋰電池pack設(shè)計(jì)中的熱流體仿真分析

動(dòng)力鋰電池pack設(shè)計(jì)中的熱流體仿真分析摘要：鋰電池Pack設(shè)計(jì)需要保證電池始終處在一個(gè)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(shí)間。鋰電池Pack設(shè)計(jì)中往往會(huì)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(jì)，本文從現(xiàn)狀出發(fā)，介紹了鋰電池pack設(shè)計(jì)中的必備理論知識(shí)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(jì)流程概述在熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，可對(duì)Pack、模組或電池進(jìn)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(jì)階段，可以對(duì)Pack、模組或電池（帶冷卻子系統(tǒng)）進(jìn)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(jì)、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(jì)工作和部分測試工作都可以在電腦上完成。大量的設(shè)計(jì)、制造、測試工作可以被省略，Pack設(shè)計(jì)的成本也會(huì)大幅度下降。2.基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)。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(shí)Pack熱流體仿真工程師需要具備以下三個(gè)方面的技能和經(jīng)驗(yàn)：1） 堅(jiān)實(shí)的熱流體理論基礎(chǔ)。具備完善、扎實(shí)的熱流體理論知識(shí)，能對(duì)工程中的傳熱與流動(dòng)問題進(jìn)行理論分析。2） 扎實(shí)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(jìn)行求解。3） 豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于不同的問題能夠進(jìn)行合理的模型簡化，能夠結(jié)合自己的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行評(píng)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(shí)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(dòng)的物理現(xiàn)象用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，然后利用數(shù)值方法對(duì)這些數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(jìn)而為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。3.1傳熱與流體流動(dòng)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(duì)流和輻射。當(dāng)物體之間直接接觸時(shí)，依靠微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，即一種彈性波。液體中的導(dǎo)熱機(jī)理，一種認(rèn)為與氣體類似，另一種認(rèn)為與非導(dǎo)電固體類似。導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時(shí)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(shí)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(shí)熱量的傳遞過程稱為對(duì)流換熱。對(duì)流換熱包括導(dǎo)熱和熱對(duì)流兩種現(xiàn)象。熱對(duì)流是指由于流體宏觀運(yùn)動(dòng)引起的冷、熱流體相互摻混，進(jìn)而導(dǎo)致的熱量傳遞的過程。固體與流體界面通過對(duì)流換熱傳遞的熱量可以通過牛頓冷卻公式進(jìn)行計(jì)算，如式（3）所示。 （2）式中，為單位時(shí)間內(nèi)通過界面的熱量；h為對(duì)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(yùn)動(dòng)引起的熱量傳遞過程。輻射換熱可以在真空中進(jìn)行。3.1.2流體動(dòng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律。描述流體動(dòng)力學(xué)機(jī)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(dòng)量方程；通過能量守恒定律可推導(dǎo)出能量方程；。對(duì)于一個(gè)流體微元，質(zhì)量守恒定律可解釋為單位時(shí)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?？梢员硎境墒剑?） （3）式中，為物體的密度；t為時(shí)間；x，y，z為笛卡爾坐標(biāo)的三個(gè)維度；u、v、w分別為流體在x、y、z方向的分速度。動(dòng)量守恒定律可以解釋為流體微元?jiǎng)恿侩S時(shí)間的變化率等于流體微元所受外力之和?？杀硎境墒剑?）、（5）（6）。 （4） （5） （6）式（4）、（5）、（6）分別為x、y、z方向的動(dòng)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(jìn)入流體微團(tuán)的凈熱量加上體積力和表面力對(duì)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(xiàng)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(jì)的熱管理流程入手、對(duì)流體熱管理基礎(chǔ)知識(shí)和常用熱流體仿真工具進(jìn)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(jì)分析提供了一種思路和方法，對(duì)于pack的熱流體仿真設(shè)計(jì)具有參考意義。參考文獻(xiàn)1 王芳、夏軍 等.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)安全分析與設(shè)計(jì)M.北京:科學(xué)出版社,2016.2EN 1987-1.Electrically