CN111625906A - 试验和仿真相结合的动力电池风冷系统中风扇选型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了试验和仿真相结合的动力电池风冷系统中风扇选型的方法，其特征在于，首先，确定动力电池系统的流量‑压力阻力特性曲线，其次，根据动力电池系统设计初期的电池模块分布方案对其进行流体域和固体域划分，最后，将测定的电池模块阻力参数赋值给电池模块流体域，将风扇的风量‑压力曲线赋值于风扇，进行仿真计算分析，选取合适的风扇。本发明方法设计初期采用了已经测试过特征曲线的电池模块，可以直接对模型进行仿真分析，快速准确的得到风扇选型的结果；当采用新的电池模块，先进行特征阻力曲线测试，再进行仿真分析。本方法节约了成本、节省时间；优化了仿真模型且该方法操作容易，准确度高。
Description
技术领域
本发明属于动力电池技术领域，具体涉及一种试验和仿真相结合的动力电池风冷系统中风扇选型的方法。
背景技术
在新能源技术领域，锂离子电池因其具有高比能量、大容量以及较高的循环寿命，无记忆效应、无污染等优点，其在电动汽车上的应用有很好的前景。动力电池系统的安全性对锂离子电池的应用是非常重要的，而目前商用锂离子电池存在热稳定性较差、温度一致性差等问题，因此热性能分析和管理对于锂离子电池的发展及锂离子动力电池系统的设计是必不可少的。
现有的热管理冷却系统大致可以分为：风冷系统、液体冷却、相变材料冷却。风冷系统中的强制风冷是指使用风扇、鼓风机等流体机械设备以空气为介质对动力电池系统进行冷却的一种方式。由于风冷系统结构简单、流道设计方便，质量轻等特点，目前国内外大多数的电动汽车多采用风冷结构。
目前在动力电池冷却系统设计初期多使用模拟分析软件(如：fluent、cfx、starccm+)对动力电池系统进行模拟分析。在动力电池冷却系统模拟中，存在着模拟结构复杂、模型庞大、最小尺度最大尺度之间差距大网格数目庞大且不够精细等问题。研究人员一般都会对动力电池系统模型进行简化。而简化的结果就是模拟中选定风扇的风量与实际风扇在动力电池系统中风量之间很大的误差，进而模拟的冷却结果与实际的冷却结果也不尽相同，导致冷却效果不准确而不能满足动力电池系统热管理的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种试验和仿真相结合的动力电池风冷系统中风扇选型的方法，解决了现有动力电池系统中风扇选型准确度不高、选型速度慢的问题。
本发明所采用的技术方案是，试验和仿真相结合的动力电池风冷系统中风扇选型的方法，首先，确定动力电池系统的流量-压力阻力特性曲线，其次，根据动力电池系统设计初期的电池模块分布方案对其进行流体域和固体域划分，最后，将测定的电池模块阻力参数赋值给电池模块流体域，将风扇的风量-压力曲线赋值于风扇，进行仿真计算分析，选取合适的风扇。
本发明的特点还在于，
动力电池系统中的流量-压力阻力特性曲线的确定方法为：在试验管路系统的进风口处安装流量计和温度计，并在进、出风口各安装一个压差计和温度计，由离心风机提供气源，流量范围3～100m3/h，且连续可调；使用标准表法确定流量计的计量性能，确定流量计的计量性能后，将所测动力电池系统替代试验管路系统连入管线，通过流量调节阀调节不同的流量，测得不同流量下相应的压降，从而得到动力电池系统的流量，再根据温度值进行修正，绘制流量-压力阻力特性曲线。
固体域划分具体为：固体域进行简化后仅保留影响电池系统传热的部件，包括电池单体的基本结构、电池加热的加热片、电池的保温棉、电池间的传热的泡棉以及整个电池系统外部的导热片；将电池模块上连接的铜镍排、测量电压和温度的FPC、连接线束都被简化掉。
流体域划分具体为：根据动力电池系统电池模块排布方案完成对流体域的抽取，根据电池模块结构及参照试验时电池模块定制流道的形状，完成对流道形状及分布的划分。
仿真计算具体为：将前处理完成的电池系统数模进行网格划分，将网格合格的模型导入到求解器中，在求解器中对其进行材料属性赋值、边界条件赋值、求解器模型，根据实际情况对其进行数值初始化、求解；从电池的出风口得到电池的流量值；按照该方法依次得到多个风扇对应的出风口流量值，根据多个风量值确定适用于动力电池风冷系统的风扇。
本发明的有益效果是，
本发明方法能够在动力电池系统设计初期，不具备实物阶段准确、快速的完成风扇的选型；即在设计初期采用了已经测试过特征曲线的电池模块，可以直接对模型进行仿真分析，快速准确的得到风扇选型的结果；当采用新的电池模块，先进行特征阻力曲线测试，再进行仿真分析。本方法节约了成本、节省时间；优化了仿真模型且该方法操作容易，准确度高，具有十分重要的理论意义和工程应用价值。
附图说明
图1是本发明动力电池系统阻力特性曲线的实验装置；
图2是本发明实施例中电池模块阻力特性曲线；
图3是本发明实施例中原动力电池系统数模；
图4是本发明实施例中简化后的动力电池系统流体域；
图5是本发明实施例中简化后的动力电池模块固体域；
图6是本发明实施例中简化后的动力电池模块流体域；
图7是本发明实施例中模型网格。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种试验和仿真相结合的动力电池风冷系统中风扇选型的方法，首先，确定动力电池系统的流量-压力阻力特性曲线，其次，根据动力电池系统设计初期的电池模块分布方案对其进行流体域和固体域划分，最后，将测定的电池模块阻力参数赋值给电池模块流体域，将风扇的风量-压力曲线赋值于风扇，进行仿真计算分析，选取合适的风扇；
具体按照以下步骤实施：
步骤1，确定动力电池系统中的流量-压力阻力特性曲线；
实验装置如图1所示，在试验管路系统的进风口处安装流量计和温度计，并在进、出风口各安装一个压差计和温度计，由离心风机提供气源，流量范围3～100m3/h，且连续可调；
首先使用标准表法确定流量计的计量性能，确定流量计的计量性能后，将所测动力电池系统替代试验管路系统连入管线，通过流量调节阀调节不同的流量，测得不同流量下相应的压降，从而得到动力电池系统的流量，再根据温度值进行修正，绘制流量-压力阻力特性曲线；
在测试过程中根据动力电池模块定制其特定的流通通道，该通道的流动方向与动力电池内气体的流通方向相同，定制流动通道大小与电池模块四个接触壁面紧贴；
步骤2，根据动力电池系统设计初期的电池模块分布结构对其进行流体域和固体域划分；
固体域划分：固体域进行简化后仅保留影响电池系统传热的部件，包括电池单体的基本结构、电池加热的加热片、电池的保温棉、电池间的传热的泡棉以及整个电池系统外部的导热片；将电池模块上连接的铜镍排、测量电压和温度的FPC、连接线束都被简化掉；
流体域划分：根据动力电池系统电池模块排布方案完成对流体域的抽取，根据电池模块结构及参照试验时电池模块定制流道的形状，完成对流道形状及分布的划分；
步骤3，仿真计算：将前处理完成的电池系统数模进行网格划分，将网格合格的模型导入到求解器中，在求解器中对其进行材料属性赋值、边界条件赋值、求解器模型，根据实际情况对其进行数值初始化、求解。从电池的出风口得到电池的流量值。按照该方法依次得到多个风扇对应的出风口流量值，根据多个风量值确定适用于动力电池风冷系统的风扇。
本发明方法只需当天就能完成风扇风量的确定，相比于模拟所需要的1～2周的时间，本方法不仅提高了准确性也挺高了效率。
实施例
以某动力电池系统为例进行研究，选定三款风扇6312/2TDHP、5312/2TDHP、RG160-28/12N为例对此种方法进行说明；
步骤1，按照下图1所示方法测量动力电池模块的流量-压力阻力特性曲线，在试验管路系统中的进风口和出风口个安装一个压差计和温度计，进行测试得到图2电池模块阻力特性曲线；
步骤2，按照动力电池系统设计初期的电池数模对电池模块进行流体域和固体域的划分：这其中，固体域的划分原则是固体域简化后仅保留影响动力电池系统传热的部件；流体域的划分原则是根据动力电池系统的排布方案以及对固体域的划分，完成对流道的抽取；原动力电池系统数模，如图3所示，经步骤2后简化后的动力电池系统流体域，如图4所示，简化后的动力电池模块固体域及流体域分别如图5及图6所示；
步骤3，仿真计算，将处理完成的数模首先进行网格划，模型网格，如图7所示，之后将网格导入到求解器中。将动力电池系统中风扇的参数赋值到风扇的设置当中，把阻力特性曲线赋值到电池模块流体域中，计算得到在此风扇下的动力电池风量。在模型中通过改变风扇的形状和参数，得到不同的进风量，对风扇的是否适应动力电池系统进行判断。
试验结果对比，三种风扇的类型以及其属性如表1所示，将无阻力曲线、有阻力曲线、以及实际情况进行了对比，如表2所示，经过对比发现用此方法进行分析得到的风量与实际值相差在6％之内，误差满足实际设计要求。
表1三种风扇的类型以及其属性
表2有、无阻力曲线风扇风量与实际风扇风量对比
| 流量 | 6312/2TDHP | 5312/2TDHP | RG 160-28/12N |
| 实际风扇流量(kg/s) | 0.9879 | 0.9687 | 0.8172 |
| 有阻力曲线风扇流量(kg/s) | 1.0433 | 1.0224 | 0.8488 |
| 有阻力曲线风扇误差(％) | 5.6079 | 5.5470 | 3.8669 |
| 无阻力曲线风扇流量(kg/s) | 1.1190 | 1.0878 | 0.9098 |
| 有阻力曲线风扇误差(％) | 13.2706 | 12.2948 | 11.3314 |
Claims (5)
1.试验和仿真相结合的动力电池风冷系统中风扇选型的方法，其特征在于，首先，确定动力电池系统的流量-压力阻力特性曲线，其次，根据动力电池系统设计初期的电池模块分布方案对其进行流体域和固体域划分，最后，将测定的电池模块阻力参数赋值给电池模块流体域，将风扇的风量-压力曲线赋值于风扇，进行仿真计算分析，选取合适的风扇。
2.根据权利要求1所述的试验和仿真相结合的动力电池风冷系统中风扇选型的方法，其特征在于，所述动力电池系统中的流量-压力阻力特性曲线的确定方法为：在试验管路系统的进风口处安装流量计和温度计，并在进、出风口各安装一个压差计和温度计，由离心风机提供气源，流量范围3～100m3/h，且连续可调；使用标准表法确定流量计的计量性能，确定流量计的计量性能后，将所测动力电池系统替代试验管路系统连入管线，通过流量调节阀调节不同的流量，测得不同流量下相应的压降，从而得到动力电池系统的流量，再根据温度值进行修正，绘制流量-压力阻力特性曲线。
3.根据权利要求1所述的试验和仿真相结合的动力电池风冷系统中风扇选型的方法，其特征在于，所述固体域划分具体为：固体域进行简化后仅保留影响电池系统传热的部件，包括电池单体的基本结构、电池加热的加热片、电池的保温棉、电池间的传热的泡棉以及整个电池系统外部的导热片；将电池模块上连接的铜镍排、测量电压和温度的FPC、连接线束都被简化掉。
4.根据权利要求1所述的试验和仿真相结合的动力电池风冷系统中风扇选型的方法，其特征在于，所述流体域划分具体为：根据动力电池系统电池模块排布方案完成对流体域的抽取，根据电池模块结构及参照试验时电池模块定制流道的形状，完成对流道形状及分布的划分。
5.根据权利要求1所述的试验和仿真相结合的动力电池风冷系统中风扇选型的方法，其特征在于，所述仿真计算具体为：将前处理完成的电池系统数模进行网格划分，将网格合格的模型导入到求解器中，在求解器中对其进行材料属性赋值、边界条件赋值、求解器模型，根据实际情况对其进行数值初始化、求解；从电池的出风口得到电池的流量值；按照该方法依次得到多个风扇对应的出风口流量值，根据多个风量值确定适用于动力电池风冷系统的风扇。
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