摘 要

动力电池是电动汽车的重要组成部分，其直接影响着整车的动力、可靠性和经济性能。锂离子电池在续航里程和使用寿命等方面具有较强优势，其为当前动力电池研究和产业化的重点。锂离子电池的能量密度和功率密度不断提高，电池的热失控事件时有发生，所以电池热管理就显得越来越重要了。锂离子电池系统是具有复杂流动和传热过程的电化学动力源，而针对实际问题进行计算流体动力学（CFD）仿真可以很好地模拟电池实际热工况。因此，本文对底盘的热管理分析具有重要的理论意义和工程应用价值。

本文通过数值模拟的方法来对电动车电池存储区域的散热过程进行计算流体动力学仿真分析。首先建立底盘结构的三维几何模型，基于计算流体动力学方法建立其三维流场分析模型。将底盘固体结构的散热过程考虑进模型中，建立了底盘流固耦合传热分析模型，获得了壳体结构的温度分布和电动车电池存储区域的流场分布。对比了三种不同进口流速下底盘内流场的温度变化，得到了空气流速对电池工作时的温度影响规律。

首先，建立所需仿真区域的简化模型。基于CATIA建立电池和电机的简化模型，用STAR-CCM 完成底盘网格划分。根据已知边界条件，可知电池的发热功率为1288.41kW/m³，电机发热功率为2232.39kW/m³，电池和电机跟底盘间的接触热阻为2×10^-4K·m²/W。划分得到的网格体积变化率，面网格质量，体网格质量均在最佳范围内。

其次，对电池存储区域的散热过程进行流固耦合仿真分析，流体计算使用k-ε湍流模型；设定好计算区域所对应的流体和固体模型。计算获得了电池存储区域的流场，压力图和温度云图，分析了不同进口流速对散热效果影响。

最后，根据CFD仿真得到的流场图，压力图和温度云图，提出了电池倾斜放置，增加迎风面积；电池组使用百叶窗，散热板；加装风扇等改进方案。考虑到工程实际对经济性的要求，安装风扇可以满足底盘散热的要求。这对后续的项目工作有重要意义。

关键词：特种电动车，底盘，电池热管理，流固耦合传热

Abstract

Power batteries are an important part of electric vehicles, which directly affect the power, reliability and economic performance of the vehicle. Lithium-ion batteries have strong advantages in terms of cruising range and service life, and they are the focus of current power battery research and industrialization. The energy density and power density of lithium-ion batteries continue to increase, and thermal runaway events of batteries have occurred, so battery thermal management is becoming more and more important. The lithium-ion battery system is an electrochemical power source with complex flow and heat transfer processes, and computational fluid dynamics (CFD) simulation for practical problems can well simulate the actual thermal conditions of the battery. Therefore, this paper has important theoretical significance and engineering application value for the thermal management analysis of the chassis.

In this paper, the computational fluid dynamics simulation analysis of the heat dissipation process of the electric vehicle battery storage area is carried out by numerical simulation. Firstly, the 3D geometric model of the chassis structure is established, and its 3D flow field analysis model is established based on the computational fluid dynamics method. The heat dissipation process of the chassis solid structure is taken into consideration in the model, and the fluid-solid coupling heat transfer analysis model of the chassis is established. The temperature distribution of the shell structure and the flow field distribution of the electric vehicle battery storage area are obtained. The temperature changes of the flow field in the chassis under three different inlet flow rates were compared, and the influence of the air flow rate on the temperature of the battery during operation was obtained.

First, build a simplified model of the required simulation area. Based on CATIA, a simplified model of the battery and the motor was built, and the chassis meshing was done with STAR-CCM . According to the known boundary conditions, it is known that the heating power of the battery is 1288.41 kW/m³, the heating power of the motor is 2232.39 kW/m³, and the contact thermal resistance between the battery and the motor and the chassis is 2×10^-4 K·m ² /W. The mesh volume change rate, surface mesh quality, and volume mesh quality are all within the optimal range.

Secondly, the fluid-solid coupling simulation analysis is carried out on the heat dissipation process of the battery storage area. The fluid calculation uses the k-ε turbulence model; the fluid and solid model corresponding to the calculation area are set. The flow field, pressure map and temperature cloud map of the battery storage area were obtained, and the influence of different inlet flow rates on the heat dissipation effect was analyzed.

Finally, according to the flow field map, pressure map and temperature cloud map obtained by CFD simulation, the battery is placed obliquely to increase the windward area; the battery pack uses shutters, heat sinks; and an improved scheme such as adding a fan. Considering the actual economic requirements of the project, the installation of the fan can meet the requirements of chassis heat dissipation. This is important for the subsequent project work.

KeyWords：Special Electric Vehicle, Chassis, Battery Thermal Management, Fluid-Structure Coupled Heat Transfer

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 STAR-CCM 软件介绍 2

1.4 本文研究内容 5

第2章 特种电动车底盘设计 6

2.1 汽车底盘设计理念 6

2.2 目标假车底盘设计 7

2.5 小结 12

第3章 特种电动车底盘热管理仿真 13

3.1 流体力学基本理论 13

3.2 建立计算模型 15

3.3 流固物理模型设定 16

3.4 流固耦合换热计算 17

3.5 计算结果后处理 20

3.6 流程总结 21

3.7 小结 21

第4章 特种电动车底盘热管理结果分析 22

4.1 内部流场分析 22

4.2 整体流场分析 23

4.3 三维压力图分析 24

4.4 三种流速下截面温度云图分析 25

4.5 小结 27

第5章 结论及展望 29

5.1 结论 29

5.2 展望 29

致 谢 31

参考文献 32

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

动力电池是电动汽车的重要组成部分，其直接影响着整车的动力、可靠性和经济性能。锂离子电池在续航里程和使用寿命等方面具有较强优势，其为当前动力电池研究和产业化的重点。锂离子电池的能量密度和功率密度不断提高，电池的热失控事件时有发生，所以电池热管理就显得越来越重要了。

本文所研究的特种电动车是为自动驾驶车辆测试所设计的一款试验用车，这可以更好地实现自动驾驶车辆的测试，是自动驾驶技术发展不可缺少的一环。若采用传统乘用车进行试验，发生碰撞时维修成本及危险性较高，本文所研究的特种电动车作为检测用车能够降低实验成本。

该特种电动车使用的是锂离子电池，温度是影响其性能的关键。温度过高会使电池放电量减少甚至热失控。温度过低时电池功率和容量会下降。温度不一致会使电池单体内阻产生差异、容量不一、老化不均。最终令电池整体性能变差。本文将对特种电动车底盘电池储存区域在三种不同进口风速下进行流固耦合传热仿真并分析优化，以使电池工作在最佳的温度下，有效地控制电池单体的温差，从而提高动力电池的整体性能。

1.2 国内外研究现状

电池热管理要满足高温散热和低温加热的要求。电池冷却方法包括基于空气、液体、PCM和热管的方式。加热包括流体和热敏电阻元件（PTC）的外部加热，以及电池本身产热。但锂离子电池内部产热、传热和外部条件十分复杂。需要对不同类型的电动汽车电池进行具体的热管理分析，并提出合理的具体优化方案。

1.2.1 国外研究现状

2016年，Zou等人[^[1]]设计了一种热管-液体耦合系统，其可实现加热也可实现散热。液体经过PTC加热，通过热管把热量均匀传到电池；加热初期电池温度上升较快，随着热管两端温度差减小电池温度逐渐稳定。

2016年，Putra等人[^[2]]发现工作液的散热效果与电池的发热率密切相关。对于不同的热源，可以采用不同的工质来最大化热管的作用；当电池发热量大于1.61W/cm²时，乙醇作为工质的换热效率较高。

2018年，Chi等人[^[3]]研究了充液量对脉动热管传热的影响。发现当电池发热量的增加时，最优充液量也随之增加，因此有必要针对热源条件选择合适的工质类型和充液量以达到良好的换热效果。

1.2.2 国内研究现状

对热管理系统的研究有两种方法：实验研究和数值模拟。数值模拟研究包括一维模拟、CFD仿真以及一维与CFD仿真相耦合的方式。国内CFD仿真方法起步较晚。但冷却系统的CFD仿真逐渐发展起来。冷却系统的研究包括流动传热、部件匹配、结构设计和软件控制策略的研究。这些工作对底盘热管理有很大的指导意义。

2014年，唐刚志等人[^[4]]对气缸盖局部温度过高提出三个改进措施，即在温度高的部位设风道（风道内设挡板），改善翅片规格和外肋结构，以此加强气缸盖高温区域散热。采用了流固耦合三维仿真技术对改良的气缸盖的散热结果进行仿真对比。唐采用了标准壁函数法，这是一组可简化运算的半经验公式。

2015年，赵等人[^[5]]采用冷端喷水提高电池的散热效率。在每两个电池单体之间设置一个扁平的微热管，并以一定的频率向表面喷水，在2C连续放电条件下，电池温升仅为4℃，3C放电工作温差小于2.5℃。

2016年，谢暴等人[^[6]]利用CFD技术对机舱流场和温度场进行了分析。k-ε湍流模型是目前最常用的模型，实际流场大多可看作稳态三维不可压流场，所以可以假定流动过程为稳态湍流。流体被认为是无数个流体微团的连续分布，这些微团满足连续性方程、N-S方程和能量守恒方程。最终提出了一种改进方案，模拟与实验的差异小于10%。

2017年，徐晓文等人[^[7]]研究了发动机冷却水箱C207散热器。运用计算流体动力学软件STAR-CCM 对散热器进行了流固耦合仿真分析。本文对散热器的结构进行了优化。波纹翅片状结构更改成网格状后，散热器散热效率提高了24.2%。

通过对国内外研究现状的总结，可以看出国内外学者对电池的热管理进行了大量的研究，起到了很大的推动作用。研究了具体的热管理问题，分析了电池的温度动态，提出了很多创造性的方案。涌现了很多新的锂离子电池热管理策略和热管理技术，为改进电池热工况提供了理论依据。本文将基于以往对动力电池热管理的研究成果开展研究。

1.3 STAR-CCM 软件介绍

STAR-CCM 目前最新版本是2019年的STAR-CCM 14.02.010。仿真所用的版本是2016年的STAR-CCM 11.04.012。STAR-CCM 是先进的CFD（计算流体动力学）仿真软件。它是最新的软件工程技术和最先进的连续介质力学数值技术相结合的产品。 STAR-CCM 软件的优点是一体化、高重复性和适用性。STAR-CCM 可以执行非定常计算。可以完成流固耦合流场和温度场的模拟。外部流场的计算和阻力分析可以使用不同的计算方法仿真。高速列车空气动力性能和横流性能可用耦合算法计算和分析。也可以对燃料燃烧的过程进行软件模拟[^[8]]。

1.3.1 湍流模型

层流和湍流是流体运动的两种模式。1883雷诺提出湍流的概念后，学者们对湍流进行了很多的研究。这解决了工学领域的很多实际问题。但湍流运动十分复杂，基础理论还没有完全成熟。

目前的随机数值计算法只能用于计算雷诺兹平均法，也就是大规模的平均流。为求出这些变量，必须使用已知变量确定。对平均流的湍流脉动，湍流模型理论是封闭的，计算量大幅度减少。如果近壁面网格划分足够好，k-ε模型可以解决边界层的流动。其中k代表湍流动能，ε是耗散率。

1.3.2 近壁面模型

上面介绍的k-ε模型是大雷洛数Re的充分发展的湍流模型。流动区域可以沿着墙壁的法线方向分割成壁面区域和核心区域。核心区域内的流程可视为完全湍流。墙面区域还可以分为粘性底层、迁移层和对数层。粘性底层起着主导作用。流动的速度沿着墙面的法线方向线性地分布。

为建立壁面函数，现引入2个无量纲参数u 和y ，分别表示速度和距离，即

(1-1)

(1-2)

壁面区域流动计算有两种方法。它们分别是壁面函数法和小雷诺数的k-ε模型法。在流固耦合界面处，可采用标准壁面函数法处理流动边界层和传热边界层。对壁面函数法，要求y 在20与100之间。壁面函数法直接用半经验公式将壁面和核心区的变量联系起来，划分网格时不用加密。不需要求解受粘性力影响的区域，壁面函数法实用而且精度也比较高。而对于小雷诺数的k-ε模型要求y 小于2，这需要控制最小距离。（划分网格和计算的要求都更高）计算网格见图1-1。

图1-1 壁面函数法和小Re的k-ε模型法对应的计算网格

1.3.3 网格介绍

计算网格有结构化、非结构化和混合网格三种。结构化网格计算效率和精度较高，存储简单，但几何外形复杂时生成困难。非结构化网格存储空间大且计算复杂，在定常气动流场中应用较多。混合网格兼顾了两者的优点，但STAR-CCM 不能生成这种网格。面网格生成有表面包面和表面重构两种方式。表面包面是一种对CAD表面的拟合逼近技术，要求计算模型表面是单流通封闭的区域。表面重构可以在拓扑封闭表面的前提下提升三角形表面网格质量。STAR-CCM 可以生成三种网格：四面体网格、多面体网格和Trimmed网格。

1.3.4 STAR-CCM 11.04功能

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