電動客車高壓箱熱仿真分析與試驗驗證

王慧敏， 黃 河， 劉 正， 劉進(jìn)程， 婁 崗

(1.中車時代電動汽車股份有限公司， 湖南 株洲 412007； 2. 長沙中車智馭新能源科技有限公司， 長沙 410000； 3.長沙開元儀器有限公司， 長沙 410100)

電動客車作為重要的公共運(yùn)載工具，其安全性和可靠性尤為重要，而動力電池系統(tǒng)中的高壓箱熱性能直接制約著電動客車的使用。本文以純電動客車動力電池系統(tǒng)中的高壓箱為對象，對其熱性能進(jìn)行研究。建立CFD數(shù)學(xué)模型，模擬溫度場分布，指導(dǎo)設(shè)計優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溫升試驗，驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 高壓箱構(gòu)成及其熱特性

1.1 高壓箱功能及構(gòu)成

高壓箱，即動力分配單元，英文簡稱PDU，是多電池包電池系統(tǒng)動力回路中的重要組成部分。通過控制各配電回路的電流通斷，分配電能的使用；并可實時監(jiān)測和采集各回路電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)，確保各回路可靠穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。

高壓箱主要由箱體、箱蓋、匯流排、繼電器、傳感器、采集板、手動維修開關(guān)(MSD)以及保險等部件組成。箱體、箱蓋組成外部防護(hù)結(jié)構(gòu)，給內(nèi)部元器件的使用提供可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境；匯流排連通元器件組成各電流回路；繼電器控制各回路的通斷；傳感器及高壓采集板采集相應(yīng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行信息傳輸，高壓采集板可進(jìn)行部分邏輯計算，如絕緣檢測等；手動維修開關(guān)用于檢修時斷開電路，起到保護(hù)作用；保險在過載或短路情況下自動熔斷，保護(hù)整個系統(tǒng)，防止安全事故發(fā)生。高壓箱的組成及連接示意圖如圖1所示。

圖1 高壓箱組成及連接示意圖

1.2 高壓箱熱特性

高壓箱作為動力分配單元，其溫度特性主要表現(xiàn)在電流通過高壓箱內(nèi)部導(dǎo)電元器件時，其自身的體積電阻和接觸部分的接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱，熱量不斷積聚使導(dǎo)熱元器件溫度升高。由于高壓箱有箱體、箱蓋的保護(hù)，防護(hù)等級一般在IP67以上，內(nèi)部空間緊湊、封閉，導(dǎo)電元器件種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出現(xiàn)熱量聚集，導(dǎo)致局部溫度持續(xù)上升，超過使用溫度限制，給元器件的使用壽命和系統(tǒng)安全造成影響[4]。

2 高壓箱溫升仿真及驗證

2.1 仿真條件

設(shè)計條件：環(huán)境溫度45 ℃，自然散熱條件，各連接回路由銅制匯流排、繼電器銅導(dǎo)體以及保險銅導(dǎo)線等組成，根據(jù)實際情況輸入各連接回路負(fù)載情況[5]。按照系統(tǒng)放電模式持續(xù)通過200 A額定電流，通電時間1 h。

由于高壓箱內(nèi)部導(dǎo)熱材料為紫銅，且其內(nèi)部封閉，與外界空氣對流較少，因此采用銅導(dǎo)體建立其有限元分析模型，并采用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方法求解[6-7]。紫銅材質(zhì)參數(shù)如下：密度8.89×103kg/m3，比熱容394 J/(kg·K)，導(dǎo)熱率386.4 W/(kg·K)，電阻率1.72×10-8Ω·m[8]。

2.2 仿真建模和結(jié)果分析

依照設(shè)計輸入建立高壓箱電-熱耦合場分析有限元模型[9-10]，一方面準(zhǔn)確地模擬載荷工況下電流行經(jīng)路徑，得到各回路電流密度分布，從而準(zhǔn)確地獲取電器件發(fā)熱功率。高壓箱內(nèi)部回路電流密度分布云圖仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 電流密度分布云圖仿真結(jié)果(單位：A/m3)

另一方面進(jìn)行流固耦合熱仿真分析和自然散熱邊界條件下的溫度場仿真分析，模擬實際散熱環(huán)境，得到高壓箱溫升過程溫度最高時刻內(nèi)部溫度分布云圖仿真結(jié)果，如圖3所示。

圖3 內(nèi)部溫度分布云圖仿真結(jié)果

通過對高壓箱進(jìn)行電-熱耦合場仿真分析可知，高壓箱內(nèi)部連接回路在整個過流過程中，最高溫度為71.897 ℃，最大溫升為26.897 K，并可得到最高溫度點、最大溫升點的發(fā)生位置。選取包括最高溫度點、最低溫度點、最大溫升點、最小溫升點在內(nèi)的10個溫度對照點，標(biāo)記序號1-10，位置標(biāo)記及結(jié)果如圖3所示。

GB/T 37133—2018 《電動汽車用高壓大電流線束和連接器技術(shù)要求》中要求高壓連接系統(tǒng)正常工作時，系統(tǒng)各點溫升不應(yīng)大于55 K。而高壓箱零部件選型時，選用的零部件非金屬材料長期耐溫為125 ℃，因此，仿真結(jié)果滿足高壓箱系統(tǒng)長期使用溫度要求。

2.3 高壓箱溫升試驗驗證

為驗證仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行高壓箱實物溫升試驗，選取仿真分析所選取的10個溫度點布置溫度傳感器[11-12]。試驗設(shè)計條件相同：將高壓箱放置在45 ℃恒溫箱中，采用自然冷卻方式，過流200 A持續(xù)時間1 h，采集各點的溫升數(shù)據(jù)，繪制各點隨時間變化的溫度曲線，如圖4所示。

圖4 高壓箱溫升試驗曲線

試驗表明，隨著過流時間的持續(xù)，高壓箱內(nèi)部采溫點的溫度逐漸升高，溫升速率逐漸降低，試驗?zāi)┒藴囟融呌谄胶?，整個系統(tǒng)趨向穩(wěn)態(tài)。選取發(fā)生最高溫度時刻各點的溫度值可知，最高點溫度為72.1 ℃，最大溫升為27.1 K；對比各個采樣點的溫升，與仿真結(jié)果相比，最大誤差發(fā)生在溫度點7位置，仿真結(jié)果為60.918 ℃，試驗結(jié)果為60.205 ℃，相差0.713 K，最大溫升誤差為4.69%。考慮到模型與實際產(chǎn)品的差異以及測量誤差等，此結(jié)果的誤差在可接受范圍內(nèi)。

因試驗和仿真結(jié)果都表明同一時刻某一檢測點的溫差較大，為27.1 K，說明高壓箱內(nèi)局部位置發(fā)熱明顯，可進(jìn)一步對高壓箱內(nèi)局部位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)及布置優(yōu)化，降低最大溫差，提升整體熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

本文提出了一種研究動力電池系統(tǒng)高壓箱熱性能的思路和方法。通過仿真分析得到高壓箱內(nèi)部電流密度云圖和溫度云圖，驗證設(shè)計的合理性，指導(dǎo)設(shè)計優(yōu)化，為系統(tǒng)、深入地研究高壓箱、提升電池系統(tǒng)的安全性和可靠性提供參考。