鎳氫電池包風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

郭軍團(tuán)，謝世坤，張庭芳

鎳氫電池包風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

郭軍團(tuán)1，*謝世坤2，張庭芳3

（1.湖南科霸汽車動(dòng)力電池有限責(zé)任公司，湖南，長(zhǎng)沙 410205；2.井岡山大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西，吉安 343009；3.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西，南昌 330001）

電池在充放電過(guò)程中會(huì)因自身特性產(chǎn)生熱量，若熱量不能及時(shí)排出，則會(huì)造成熱量的累積，致使電池工作環(huán)境溫度升高，溫度過(guò)高會(huì)對(duì)電池的性能產(chǎn)生影響，為保證電池盡可能工作在適宜的溫度條件下，在進(jìn)行電池包設(shè)計(jì)時(shí)，需著重設(shè)計(jì)電池包的散熱結(jié)構(gòu)。本研究以某乘用車用動(dòng)力電池包散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為例，通過(guò)軟件FLUENT進(jìn)行分析，對(duì)比不同散熱結(jié)構(gòu)的散熱效果，并通過(guò)路試試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

鎳氫電池；電池包；仿真分析；FLUENT

當(dāng)前，隨著新能源汽車的行業(yè)的發(fā)展，動(dòng)力電池包的熱失控問(wèn)題成為其發(fā)展的障礙；復(fù)雜的工況和高溫會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)溫度迅速升高，從而影響電池的反應(yīng)性能和循環(huán)壽命，甚至影響熱安全。在節(jié)能與新能源汽車上使用的鎳氫動(dòng)力電池，因其倍率性能良好而被廣泛使用[1]。該電池對(duì)溫度變化比較敏感，在大容量、高功率的應(yīng)用中尤其明顯，因此，溫度控制及熱管理極為重要。較高的溫度會(huì)加快電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成永久性的破壞。溫度與電池的壽命具有一定的關(guān)系，低倍率使用時(shí)，溫度每升高10℃，壽命將減半；在高倍率充電時(shí)，溫度每升高5℃壽命將會(huì)減半[2]。

國(guó)內(nèi)外在乘用車上采用的較為成熟的散熱方案主要為風(fēng)冷散熱和液冷散熱，因液冷散熱的成本較高和能量密度偏低，多數(shù)車廠采用風(fēng)冷散熱，本研究在電池包設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)對(duì)通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和驗(yàn)證分析，以滿足散熱要求。

1 電池包產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

針對(duì)某乘用車用圓柱鎳氫電池包的散熱設(shè)計(jì)，既要做到輕量化設(shè)計(jì)，又要滿足經(jīng)濟(jì)性，綜合考慮采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱。進(jìn)行風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，電池模組之間要預(yù)留一定的間隙，盡量保證流道均勻。電池包的散熱結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，風(fēng)機(jī)位于電池包一側(cè)，電池包采用底部進(jìn)風(fēng)，上部出風(fēng)的方式。

圖1 電池包散熱布置圖

2 散熱結(jié)構(gòu)仿真分析

2.1 鎳氫發(fā)熱原理

通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能和反應(yīng)熱能等公式，以及鎳氫電池在充放電階段的不同反應(yīng)，得出鎳氫電池不同階段的生熱率[3]如下：

充電時(shí)主反應(yīng)的生熱功率：

Q,s=0.547I+3.6I2R（KJ/h） （1）

充電時(shí)副反應(yīng)的生熱功率：

Q,s=5.334I+3.6I2R（KJ/h） （2）

放電時(shí)主反應(yīng)的生熱功率：

Q= -0.547I+3.6I2R（KJ/h） （3）

R=Rp+ Rj（4）

式中，I：充電電流（A）；

I：放電電流（A）；

R：極化內(nèi)阻（Ω）；

R：焦耳內(nèi)阻（Ω）。

2.2 求解理論

流體流動(dòng)要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程?？刂品匠淌菍?duì)這些定律的數(shù)學(xué)描述。

1）質(zhì)量守恒方程[4]

任何流動(dòng)問(wèn)題都必須滿足質(zhì)量守恒定律。該定律可表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)流體微元中的質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。按照這一定律，可以得到質(zhì)量守恒方程(mass conservation equation)：

：流體速度矢量（m/s）。

2）動(dòng)量守恒方程[4]

動(dòng)量守恒定律也是任何流體必須滿足的基本定律（合外力為零時(shí)才滿足，不為零不滿足）。該定律可表述為：微元體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各力之和。按照這一定律可以得到動(dòng)量守恒方程(momentum conservation equation)：

：時(shí)間（s）；

：流體速度矢量（m/s）；

S（=1,2,3）：源項(xiàng)（N/m3）。

3）能量守恒方程[4]

能量守恒方程是包含有熱交換的流動(dòng)必須滿足的基本定律。該定律可表述為：微元體中能量的變化率等于進(jìn)入微元體的凈熱量加上體力與面力對(duì)微元體所作的功。這樣可以得到能量守恒方程(energy conservation equation)：

式中：C：比熱容（J/kg·K）；

：溫度（K）；

：流體的傳熱系數(shù)（W/（m2·K））；

S：粘性耗散項(xiàng)（W/m3）。

4）控制方程的通用形式[4]

為了便于對(duì)各控制方程進(jìn)行分析并用統(tǒng)一程序?qū)Ω骺刂品匠踢M(jìn)行求解，需要建立基本控制方程的通用形式。

一般的流體計(jì)算中如果不涉及能量的變化，只求解質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，本文的散熱結(jié)構(gòu)分析中涉及溫度能量變化，因此也會(huì)求解能量守恒方程。

2.3 求解方法設(shè)置

由于電池包的充放電與時(shí)間直接相關(guān)，其熱仿真一般建議采用瞬態(tài)仿真，但由于電池包的瞬態(tài)計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)，在初步評(píng)估流場(chǎng)設(shè)計(jì)是否合理以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，通常采用穩(wěn)態(tài)仿真，分析電池包內(nèi)的流場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布，有針對(duì)性地優(yōu)化結(jié)構(gòu)，達(dá)到優(yōu)化流場(chǎng)、降低溫差的目的，因此本研究使用穩(wěn)態(tài)進(jìn)行仿真分析。

2.4 模型簡(jiǎn)化及網(wǎng)格處理

使用ANSYS FLUNET軟件簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)模型，簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化后的模型

采用Cut Cell方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行網(wǎng)格化分后的結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分后模型

最終生成的網(wǎng)格數(shù)量為720萬(wàn)左右，網(wǎng)格質(zhì)量通過(guò)FLUENT中的平滑處理基本滿足計(jì)算的質(zhì)量要求。

2.5 邊界條件設(shè)置

電池包經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，主要由三個(gè)主要部件組成：電芯、電芯支架、夾板和箱體外殼，其材料物性如表1所示。

表1 固體材料物性

本次設(shè)計(jì)方案中采用的風(fēng)機(jī)為變頻式風(fēng)機(jī)，流量按照平均流量計(jì)算，入口風(fēng)速以風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速換算，按照電池有副反應(yīng)的極端條件簡(jiǎn)化工況進(jìn)行計(jì)算電池發(fā)熱功率，電池包外部為自然對(duì)流換熱，電流按照3C倍率設(shè)置，具體的工況定義如表2所示。

表2 計(jì)算工況列表

3 仿真結(jié)果

通過(guò)仿真計(jì)算，可以獲取各單體電芯的溫度數(shù)據(jù)，為便于分析只截取最高溫度和最低溫度進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 電芯的溫度數(shù)據(jù)（℃）

我們同時(shí)提取電池箱溫度云圖和流線圖，如圖4和圖5所示。

圖4 電池包及電芯溫度云圖

圖5 電池箱體流線云圖

從圖4溫度云圖可看出，電池單體中間偏右位置溫度最高為40℃，且內(nèi)部電芯間的溫度不均勻，高溫區(qū)域較集中。

從電池包的流線圖5也可以看到，冷卻風(fēng)從進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入后，大部分氣流通過(guò)前幾排的電芯間隙直接從出風(fēng)口流出，距離進(jìn)風(fēng)口較遠(yuǎn)位置的氣流很少，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)口的電芯冷卻效果較好、溫度低，而遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的電芯散熱，溫度相對(duì)較高。因此散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在不合理性，需要進(jìn)行優(yōu)化。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過(guò)仿真分析后，該結(jié)構(gòu)的散熱方案存在：溫度分布不均勻，溫差較大的問(wèn)題，需要進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為降低最高溫度和減少溫差，目前擬采用兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化：方案一，通過(guò)改變底部風(fēng)道來(lái)改變底部流場(chǎng)，采用底部增加斜導(dǎo)流板；方案二，通過(guò)調(diào)整流經(jīng)電芯模組的氣體流量來(lái)增強(qiáng)散熱，底部主要加四個(gè)不同開(kāi)孔尺寸的平板，考慮到安裝及分流的情況，設(shè)置為前后兩段。兩種方案分別如圖6所示。

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

我們重新對(duì)兩種優(yōu)化方案進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化后與優(yōu)化前的溫度對(duì)比

方案一的溫度云圖和流線圖如圖7所示，方案二的溫度云圖和流線圖如圖8所示。

圖7 方案一電芯溫度云圖和流線圖

圖8 方案二電芯溫度云圖和流線圖

從圖7和圖8的溫度云圖與圖4溫度云圖相對(duì)比可以看出，方案一和方案二都較原方案有了很大的改善，電池包內(nèi)電芯的溫度更加均勻，雖然有部分集中區(qū)域，但是整體溫差較??；從圖7和圖8的流線圖與圖5對(duì)比來(lái)看，有效改善了電池包中后段冷卻氣流少的問(wèn)題，更有利于電池包性能和壽命的提升。

但綜合考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難易程度，我們認(rèn)為方案二更具備可操作性和實(shí)施性。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將原始設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化后的方案二分別進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，溫度傳感器的布置點(diǎn)如圖9所示。通過(guò)市區(qū)行駛工況，采集相應(yīng)的溫差數(shù)據(jù)，匯總結(jié)果如表5所示。

圖9 溫度布置及實(shí)車跑車數(shù)據(jù)

表5 實(shí)車測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

1）初始散熱方案中電池包的散熱冷卻不均勻，溫差較大，設(shè)計(jì)存在不合理性，對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良后有明顯的改善；

2）不同的散熱結(jié)構(gòu)對(duì)電池包的散熱效果影響很大，通過(guò)分析不同的散熱結(jié)構(gòu)，可為后期散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見(jiàn)；

3）通過(guò)優(yōu)化后的實(shí)車驗(yàn)證，證明方案的合理性，可滿足整車需求。

綜上，針對(duì)該項(xiàng)目電池包通過(guò)FLUENT的仿真分析，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期可以給與一定的參考價(jià)值，有利于產(chǎn)品做優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1] 曹明偉.純電動(dòng)汽車電池組被動(dòng)式液冷散熱系統(tǒng)仿真分析與優(yōu)化[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2017.

[2] 常國(guó)峰,陳磊濤,許思傳,等.鎳氫電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,37(11):1518-1520.

[3] 樓英鶯.混合動(dòng)力車用鎳氫電池散熱系統(tǒng)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2007.

[4] 錢學(xué)森.氣體動(dòng)力學(xué)諸方程[M].徐華舫譯.北京:科學(xué)出版社,1966.

DESIGN AND OPTIMIZATION OF AIR COOLING AND HEAT DISSIPATION STRUCTURE OF Ni MH BATTERY PACK

GUOJun-tuan1,*XIE Shi-kun2,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）

In the process of charging and discharging, the battery will generate heat due to its own characteristics. If the heat cannot be discharged in time, it will cause the accumulation of heat, resulting in the increase of the working environment temperature of the battery. Too high temperature will affect the performance of the battery. In order to ensure that the battery works at the appropriate temperature as much as possible, the heat dissipation structure of the battery pack needs to be designed in the design of the battery pack. In this paper, taking the design of heat dissipation structure of power battery pack for a passenger car as an example, the heat dissipation effects of different heat dissipation structures were analyzed through software FLUENT, and verified through road test.

NI-MH battery; battery pack; simulation analysis; FLUENT

TM912

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2022.06.012

1674-8085（2022）06-0076-05

2022-04-19；

2022-05-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51762022)；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20181BAB206028)；江西省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(GJJ201006)；吉安市重大科技專項(xiàng)（吉財(cái)教指[2020]83號(hào)）

郭軍團(tuán)(1984-)，男，河北饒陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事鎳氫動(dòng)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(dǎo)師，主要從事輕合金材料成型工藝控制研究(E-mail:xskun@163.com).