圓柱型Ni-MH電池包浸液冷卻設計及分析

郭軍團，謝世坤，徐國昌，張庭芳

圓柱型Ni-MH電池包浸液冷卻設計及分析

郭軍團1，*謝世坤2，徐國昌1，張庭芳3

（1.湖南科霸汽車動力電池有限責任公司，湖南，長沙 410205；2. 井岡山大學機電工程學院，江西，吉安 343009；3.南昌大學機電工程學院，江西，南昌 330001）

隨著國家對環(huán)保的越發(fā)重視，節(jié)能與新能源汽車的車型和產(chǎn)量急劇增加，對動力電池包的防護等級和使用壽命的要求越來越高。而電池的使用壽命與所處的溫度有很大關系，溫度適中，其壽命越長，溫度越高壽命越短。本文主要研究圓柱型鎳氫電池的電池包設計方案，新開發(fā)一種全新的使用浸液冷卻的電池包，通過對浸液電池的性能測試，部件的結構設計，熱仿真設計及臺架和第三方測試驗證，有效控制電池溫度和提高電池包的防護等級，方案可行，對鎳氫電池包后續(xù)使用浸液散熱提供依據(jù)和指導。

鎳氫電池；圓柱型電池；電池包；散熱冷卻

當前全球石油資源日益緊缺，環(huán)境和大氣污染越來越嚴重。我國最高領導人在氣候峰會上提出“中國力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”這一重要指標，全國各行業(yè)均在針對“碳達峰、碳中和”進軍。作為最近幾年風頭正緊的節(jié)能與新能源汽車更是大勢所趨。隨著人民物質生活水平的提高，對汽車的要求不僅功能性更要求美觀性的提升，汽車的車型日益增多，混合動力、純電動、氫燃料電動等新車型相繼問世，而為滿足多樣化車型的需求，作為重要零部件的電池包系統(tǒng)的要求也越來越高。

為了應對日益嚴峻的能源和環(huán)境問題，世界各國均將發(fā)展新能源汽車納入國家發(fā)展戰(zhàn)略，從而實現(xiàn)節(jié)能減排的目標[1]。動力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的核心部件之一，其性能優(yōu)劣直接決定了新能源車輛性能是否達標[2]。

1 電池包散熱現(xiàn)狀

電池包內(nèi)的溫度環(huán)境對電芯的可靠性、壽命及性能都有很大的影響。因此，使電池包內(nèi)溫度維持的一定的溫度范圍區(qū)間內(nèi)就顯得尤其重要。這主要是通過冷卻來實現(xiàn)。目前，電池模組主動冷卻方式主要包括: 強制風冷散熱、液冷散熱與相變材料冷卻等幾種方式[3]。風冷即利用空氣作為換熱介質，主要采用自然對流或者強制對流的方式，將電池模組產(chǎn)生的熱量帶走[4]。由于風冷模式結構設計簡單、成本較低且易于實現(xiàn)，許多車型都采用了風冷方式，如豐田、奇瑞等[5]。

風冷是以低溫空氣為介質，利用熱的對流，降低電池溫度的一種散熱方式。該技術利用風機為電池降溫，系統(tǒng)結構簡單、便于維護且成本低，在豐田混動車上應用廣泛，其基本原理圖如圖1所示，冷卻示意圖如圖2所示。

圖1 風冷基本原理圖

圖2 冷卻示意圖

液冷就是利用導熱率相對較高的流體間接或直接接觸電池散熱的方法。直接接觸式的液冷所用的是絕緣且熱導率高的液體（如硅基油、礦物油）直接接觸單體電池或模塊。它能夠很好地解決模塊溫度均勻化的問題，但是由于絕緣液體粘度較大，流速不會很高，從而限制了其換熱效果。系統(tǒng)的熱交換效率很大程度上取決于流體的熱導率、粘度、密度、速度以及流體流過電池的方式[6]。

間接接觸式液冷中，液體在管道內(nèi)流動，通過翅片或熱沉等介質接觸電池而帶走熱量，從而冷卻電池[7]。由于沒有絕緣要求，且沒有流速限制，所以可以選用熱導率高的液體，換熱效果非常好。但在溫度均勻性方面，不如直接接觸式的液冷。為了防止泄漏及短路，該種方法對管道的密封性有較高的要求。

液冷技術通過液體對流換熱，將電池產(chǎn)生的熱量帶走，降低電池溫度。液體介質的換熱系數(shù)高、熱容量大、冷卻速度快，對降低最高溫度、提升電池組溫度場一致性的效果顯著，同時，熱管理系統(tǒng)的體積也相對較小。市場上通用的液體主要為乙二醇和水的混合液[8]，實際運行過程中，導流管道與電池表面通過絕緣導熱物料進行熱量傳導，冷卻液體流經(jīng)導流管道時，因換熱系數(shù)高，導熱速度快，將電池表面的熱量帶走。此系統(tǒng)往往配置比較復雜，需要額外增加冷凝換熱器或需與整車冷凝器配套使用。液冷基本原理圖如圖3所示。

圖3 液冷基本原理圖

相變散熱是利用其相變潛熱來吸收電池充放電過程產(chǎn)生的熱量，可保持較好的溫度均勻性，但由于其成本較高，結構更為復雜且難以維護，目前應用相對較少[9]。

相變材料或熱管儲熱利用了物體相變時的潛熱來存儲或釋放能量。在電池充放電過程中，相變材料吸熱，帶走一部分熱量，緩解了電池的發(fā)熱情況。相變材料安放在電池組內(nèi)，直接和電池模塊接觸換熱時，一旦變形則會帶來一些問題。

圓柱型鎳氫電池目前普遍采用的是風冷和水冷進行散熱，散熱結構簡單，技術成熟，但也有其缺點，風冷無法達到IP67，水冷成本高且需要額外配置散熱裝置。為解決目前的應用課題且降低成本，提出鎳氫電池浸液散熱的方式，以提高IP防護等級，降低電池環(huán)境溫度延長電芯使用壽命。

2 鎳氫電池包浸液結構設計

2.1 鎳氫電池結構

圓柱形密封式鎳氫蓄電池具有結構堅固，安全性高，免維護，使用壽命長，自放電率低，使用溫度范圍寬、一致性高等特點，適于大功率放電使用。主要結構如圖4所示。

1-正極板 2-負極板 3-隔板 4-負極集電體 5-鋼殼 6-正極集電體 7-封口板底板 8-焦耳 9-安全閥

2.2 冷卻液體選擇

由圖4可看出，鎳氫電池為保證在使用過程中，若出現(xiàn)濫用能夠及時進行排氣，鎳氫電池頂部設計有安全閥，安全閥采用特殊的材質，正常情況下保證內(nèi)部電解液不會溢出，非正常情況下能夠及時進行排氣。若使用浸液設計，則需要對對冷卻液進行篩選，冷卻液的要求主要有以下幾點：

1） 絕緣；

2） 導熱和蓄熱；

3） 不與安全閥反應；

4） 不與電池其他零部件反應；

5） 不會高溫燃燒。

經(jīng)過挑選和進行大量的實驗對比，最終選擇二甲基硅油作為冷卻液。二甲基硅油的導熱系數(shù)為0.2，閃點390℃，絕緣性能良好。

2.3 電池包結構設計

鎳氫電池采用浸液設計，可大大減少電池之間的間隙，從而縮小電池包模組的體積，方便電池包的安裝。

電池包的結構主要由以下圖5所示部分組成。

圖5 電池包結構

排氣閥主要作用當電池被濫用時，及時將氣體排出，進行電池包泄壓；箱體主要采用的是鋁合金壓鑄工藝，兩側留有散熱翅片，增大散熱面積；電池模組采用密集排列，當電池模組放入箱體中時，注入導熱液體，將電池完全進行浸液操作；頂蓋與箱體之間采用硅膠密封，保證密封面不溢出液體，頂蓋內(nèi)側設計有延伸導熱柱，用于傳導熱量。

正負極出線端的密封及固定考慮使用塑料件及絕緣膠進行雙重防護，并在箱體內(nèi)側的極柱上增加緊固螺母，防止極柱脫落。具體見圖6所示。

用于浸液設計的電池包，必須保證IP67的防護要求，防止內(nèi)部液體溢出，同時防止外部灰塵和雨水等的浸入。頂蓋和箱體的密封在設計和選材上可以滿足要求，排氣閥在選擇時，因其特殊要求，必須具備疏水性、疏油性并同時能夠通風排氣，排氣閥的過濾膜采用進口E-ptfe材質。

3 鎳氫電池浸液散熱仿真分析

3.1 仿真發(fā)熱原理

通過電化學反應的吉布斯自由能和反應熱能等的公式，以及鎳氫電池在充放電階段的不同反應，整理得出鎳氫電池不同階段的生熱率公式如下

充電時主反應的生熱率：

Q= 0.547I+3.6I2R（KJ/h） （1）

充電時副反應的生熱率：

Q= 5.334I+3.6I2R（KJ/h） （2）

放電時主反應的生熱率：

Q=－0.547I+3.6I2R（KJ/h） （3）

式中，R極化內(nèi)阻R（Ω）和焦耳內(nèi)阻R（Ω）之和。

充電時，主、副反應均為放熱反應。充電初期只有主反應，電池溫度隨著充電時間逐漸升高；充電后期（荷電態(tài)>80%），副反應出現(xiàn)，主、副反應同時存在，比較式（1）和式（2）副反應放出的熱量是主反應的 10 倍左右，因此電池溫度上升的速度明顯加快；放電過程主反應為吸熱反應，但由于焦耳熱、極化熱始終為正，電池溫度升高或降低由它們共同決定[6]。

3.2 仿真模型的簡化

本項目采用ANSYS FLUENT軟件進行仿真分析，首先將電池包進行簡化處理，處理后的模型如圖7所示。

圖7 簡化模型

3.3 網(wǎng)格劃分及仿真參數(shù)設置

根據(jù)簡化后的模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8 剖面網(wǎng)格

網(wǎng)格總數(shù)量為1444萬左右，網(wǎng)格質量最低為0.147。網(wǎng)格質量很好，數(shù)量適中。

根據(jù)電池包內(nèi)部所使用的物料設置相應的物料參數(shù)，具體如表1所示。

表1 物料參數(shù)表

導熱液體的參數(shù)設置如表2所示。

表2 導熱流體參數(shù)設置

電池的電流按照流經(jīng)每個單體的電流1.5A（0.2C）進行設置，設置環(huán)境溫度為25℃。

3.4 仿真分析結果

為對比分析浸液散熱的效果，仿真時設置兩種工況，一種為浸液冷卻，一種為空氣。

設置外殼外表面邊界條件，外殼外表面和空氣接觸，自然對流換熱還有輻射能量，邊界采用Mixed邊界模型，對流換熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗選取為5，外界環(huán)境溫度為300 K，輻射模型參數(shù)采用默認設置。壓力速度耦合方法采用Coupled，壓力項采用PRESTO。

經(jīng)過仿真計算，浸液結果如圖9所示?？諝饫鋮s結果如圖10所示。

圖9 浸液結果云圖

圖10 空氣冷卻結果云圖

從以上兩種不同工況的仿真結果可看出在1.5 A（0.2C）小電流充電過程中，使用浸液冷卻散熱的電池包溫度主要集中在中上部區(qū)域，最高溫度可以達到40.1℃；而使用空氣冷卻散熱的最高溫度達到49.3℃。

浸液散熱效果明顯。

4 臺架實驗驗證

根據(jù)實際項目需求，進行臺架搭建，并按照實際工況電流進行相應的測試，臺架搭建如圖11所示。

圖11 臺架實驗照片

溫度曲線如圖12所示。

圖12 充電溫升曲線圖

經(jīng)臺架測試驗證，正常充電過程中（% ～100%，0.2C充滿電需要18000 s），電池包的溫度可以控制在45℃以內(nèi)，保證電池使用安全。

5 IP防護測試

將新開發(fā)的電池包委托第三方檢測機構進行相應IP防護的測試，測試標準GB4208-2018。電池包整體浸入水深深度1 m的水池內(nèi)，浸水時間30 min，測試后檢查箱體內(nèi)部無任何灰塵和水的進入，則判定滿足IP67的防護要求。實際測試過程照片如圖13所示，經(jīng)檢測機構檢查判定滿足IP67防護。

圖13 IP防護測試照片

6 結論

通過對鎳氫電池用浸液類型的選擇、電池包結構的設計、熱仿真以及臺架測試，確定浸液散熱方案滿足溫度控制的要求，同時針對設計開發(fā)的電池包委托第三方檢測機構做了IP防護等級的確認，確定浸液油冷包的設計開發(fā)滿足設計開發(fā)目標，能夠滿足汽車對IP防護的要求，具備小批量推廣的條件。

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DESIGN AND ANALYSIS OF IMMERSION COOLING FOR CYLINDRICAL Ni-MH BATTERY

GUO Jun-tuan1,*XIE Shi-kun2, XU Guo-chang1, ZHANG Ting-fang3

（1. Hunan Copower EV Battery Co., Ltd., Changsha, Hunan 410205,China;2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China;3. School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang, Jiangxi 330031, China）

As the country pays more and more attention to environmental protection, the models and output of energy-saving and new energy vehicles increased sharply, and the requirements for the protection grade and service life of power battery pack were higher and higher. The service life of the battery is closely related to the temperature. The moderate temperature is for the longer service life, the higher temperature for the shorter service life. In this paper, the battery pack design scheme of cylindrical Ni MH battery was studied, and a new battery pack using immersion cooling was newly developed. Through the performance test of immersion battery, component structure design, thermal simulation design and bench and third-party test verification, the battery temperature was effectively controlled and the protection grade of battery pack was improved. The scheme is feasible, which can provide basis and guidance for subsequent use of immersion heat dissipation of Ni MH battery pack.

Ni-MH battery; cylindrical battery; battery pack; heat dissipation cooling

1674-8085（2021）06-0069-04

TQ324.3

A

10.3669/j.issn.1674-8085.2021.06.013

2021-08-23；

2021-09-26

國家自然科學基金項目(51762022)；江西省自然科學基金項目(20181BAB206028)；江西省教育廳科技計劃項目(GJJ201006)；吉安市重大科技專項(吉財教指[2020]83號)

郭軍團(1984-)，男，河北饒陽人，工程師，碩士，主要從事鎳氫動力電池Pack及其系統(tǒng)的研究(E-mail:guojuntuan1984@163.com)；

*謝世坤(1973-)，男，江西吉安人，教授，博士，碩士生導師，主要從事材料成型工藝控制研究(E-mail:xskun@163.com)；

徐國昌(1984-)，男，江西吉安人，工程師，碩士，主要從事鎳氫電池開發(fā)研究(E-mail: xuguochang@corun.com)；

張庭芳(1971-)，女，山東曲阜人，教授，博士，碩士生導師，主要從事鎂合金塑性成型、工藝控制、新能源汽車和汽車電子控制等方面的研究(E-mail: tfzhang@ncu.edu.cn).