電動(dòng)汽車用鎳氫電池的水冷卻設(shè)計(jì)方案

石運(yùn)才，呂彩琴，張鵬程，李 博

(1. 中北大學(xué)車輛與動(dòng)力技術(shù)研究所，山西 太原 030051； 2. 中北大學(xué)新能源研究所，山西 太原 030051)

電動(dòng)汽車用鎳氫電池的水冷卻設(shè)計(jì)方案

石運(yùn)才1，2，呂彩琴1，2，張鵬程1，李 博1

(1. 中北大學(xué)車輛與動(dòng)力技術(shù)研究所，山西 太原 030051； 2. 中北大學(xué)新能源研究所，山西 太原 030051)

提出五環(huán)式電池組的設(shè)計(jì)方法，采用水冷的方式對(duì)電動(dòng)汽車鎳氫電池進(jìn)行冷卻。用GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，F(xiàn)LUENT軟件進(jìn)行模擬，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。電池組工作溫度控制在25～40 ℃最佳范圍之內(nèi)，電池表面溫差在3 ℃之內(nèi)，表明水冷有利于改善電池工作條件、延長(zhǎng)電池使用壽命。

電動(dòng)汽車； 鎳氫電池； 水冷； 工作溫度

電池的性能直接影響電動(dòng)汽車的性能。正確使用電池，改善電池的使用條件，延長(zhǎng)電池的使用壽命，對(duì)電動(dòng)汽車的推廣具有重要的意義[1]。電池在較高溫度下進(jìn)行大電流放電可獲得較高的容量；若電解液溫度過(guò)高，不能提高容量，反而會(huì)使電池的容量和使用壽命受到很大的影響。在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，使電池的溫度不斷升高，當(dāng)上升到一定值時(shí)，必須進(jìn)行冷卻，保證電池處于最佳工作溫度20～40 ℃的范圍內(nèi)[2-3]。

采用風(fēng)冷的方式冷卻電動(dòng)汽車的電池，曾取得了良好的效果[4]，但隨著電池功率的增大，風(fēng)冷已不能滿足高功率電池的要求。這主要是因?yàn)槔鋮s風(fēng)與電池壁面的換熱系數(shù)低，冷卻、加熱的速度較慢，電池箱內(nèi)的溫度均勻性難以控制，電池箱密封設(shè)計(jì)有難度，防光、防水的效果差等[5]。

本文作者計(jì)劃通過(guò)設(shè)計(jì)五環(huán)式電池組模型，并采用水冷的方式對(duì)電池進(jìn)行冷卻，以期提高電池的冷卻效果。

1 冷卻模型有限元的建立

以應(yīng)用較廣泛的D型鎳氫電池(河南產(chǎn))為例，電池相關(guān)參數(shù)為：高57.85 mm、直徑32.10 mm，電壓1.2 V、額定容量6 Ah。

1.1 有限元模型的建立

將6只單體電池串聯(lián)組成1個(gè)電池單元，五環(huán)電池組由5個(gè)電池單元(30只單體電池)串聯(lián)而成，額定電壓為36 V。電池單元外套有一層密封材料，與電池壁面形成環(huán)形管道，用于冷卻水的流通，可直接進(jìn)行熱交換如，圖1所示。

圖1 電池單元與電池組模型Fig.1 Models of single battery and battery pack

整個(gè)冷卻系統(tǒng)由水泵、增壓器、單向閥、電池、熱交換器、套管式蒸發(fā)器、磁感開(kāi)關(guān)和排水管等組成，如圖2所示。

圖2 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of cooling system

將電池組模型進(jìn)行抽象化處理，形成圓環(huán)凸臺(tái)式模型，然后用Gambit軟件對(duì)電池組內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該電池流體模型相對(duì)簡(jiǎn)單，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量[6]，對(duì)模型采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分后如圖3所示。

圖3 抽象化冷卻模型Fig.3 Abstract cooling models

1.2 邊界條件的設(shè)定

導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)軟件模擬而言是必不可少的參數(shù)，但由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，難于直接測(cè)量。

MH/Ni電池半徑方向的導(dǎo)熱系數(shù)λr，可由式(1)采用加權(quán)運(yùn)算得到λi[6]。

λi=λm(1-ε)+λfε

(1)

(2)

式(1)、(2)中：λm、λf分別代表固體物質(zhì)、電解質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；ε代表孔隙率；δi代表不同結(jié)構(gòu)體積所占比例；λi代表不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)；i=n(負(fù)極板)、p(正極板)和s(隔膜)。

將表1中的數(shù)據(jù)代入式(2)，得到λr=1.11 W/mK。

表1 各部分結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)及相關(guān)參數(shù)[7]

表面導(dǎo)熱系數(shù)確定之后，然后設(shè)定電池表面最高平均溫度為56 ℃，冷卻液溫度為25 ℃，再設(shè)定電池組其他條件，如表2所示。

表2 電池組冷卻系統(tǒng)初始條件的設(shè)定

2 模擬仿真實(shí)驗(yàn)

在鎳氫電池組放電過(guò)程中達(dá)到最高平均溫度時(shí)，進(jìn)行冷卻模擬仿真，分析電池組表面溫度及冷卻液溫度。

2.1 電池組溫度場(chǎng)的分析

電池組的計(jì)算域溫度分布云圖見(jiàn)圖4。

圖4 電池組的計(jì)算域溫度分布云圖Fig.4 Computational domain temperature of battery

從圖4可知，入口處電池表面溫度達(dá)到26 ℃左右，出口溫度在28 ℃左右，且Y軸方向出口前一段電池組，表面溫度最高在28 ℃以上，溫度變化較大。電池單元之間溫度梯度變化大致相當(dāng)，在外圍的電池單元，溫度梯度變化較平緩。電池出口的冷卻效果相對(duì)于進(jìn)口位置而言較差，通過(guò)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程可知，原因是在入口處的冷卻液與電池組表面最先進(jìn)行熱交換，使得冷卻液溫度升高，在出口處時(shí)，冷卻液已升到最高溫度；電池組除了水冷的方式外，一部分熱量通過(guò)管道壁擴(kuò)散到大氣中去，外圍電池單元散熱性較內(nèi)部電池單元效率高；出口處的冷卻效果不是最差，原因是出口處的壓強(qiáng)增大，流速增加，加快了熱傳遞，通過(guò)熱傳導(dǎo)將電池組表面的溫度帶走。

電池表面的溫度總體變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 電池組整體平均溫度變化曲線Fig.5 Average temperature change curve of battery pack

2.2 冷卻液溫度場(chǎng)分析

進(jìn)出口水流溫度云圖見(jiàn)圖6。

圖6 進(jìn)出口水流溫度云圖Fig.6 Inlet and outlet water temperature cloud chart

從圖6可知，進(jìn)口溫度為初始溫度25 ℃，出口溫度達(dá)到27 ℃左右。由熱力學(xué)第一定律及上述分析可知，通過(guò)熱傳遞，電池組通過(guò)電池壁以熱傳遞的方式與冷卻水進(jìn)行熱交換，冷卻液在冷卻過(guò)程中溫度逐漸增加。

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

根據(jù)電池組模型，搭建檢測(cè)溫度的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用P601724水泵增壓器(廣東產(chǎn))控制水流速度為1.5 m/s，用DS18B20溫度傳感器(深圳產(chǎn))檢測(cè)電池表面溫度，電池組以1.5C恒流放電，得到電池表面溫度隨時(shí)間變化的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行曲線擬合[8]，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 電池組表面溫度變化曲線Fig.7 Surface temperature change curve of battery pack

從圖7可知，電池組表面溫度隨著時(shí)間的推移，最終穩(wěn)定在26 ℃左右。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比

從表3可知，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差不大，可以認(rèn)為該MH/Ni電池水冷卻的設(shè)計(jì)方案實(shí)際可行。

3 結(jié)論

本文作者采用水冷的方式對(duì)D型MH/Ni電池進(jìn)行冷卻分析，得出如下結(jié)論：

設(shè)計(jì)的五環(huán)式電池組設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)MH/Ni電池水冷的良好效果；可通過(guò)水冷將MH/Ni電池表面工作溫度控制在最佳范圍25～40 ℃之內(nèi)，改善電池的工作性能在水冷的條件下，MH/Ni電池表面溫差能夠控制在3 ℃之內(nèi)，保證電池各部位工作性能的一致。

[1] REN Yong(任勇)，QIN Da-tong(秦大同)，YANG Ya-lian(楊亞聯(lián))，etal. 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研發(fā)實(shí)踐[J]. Journal of Chongqing University(Natural Science Edition)[重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)]，2004，27(4)：27-30.

[2] JIAO Hong-jie(焦洪杰)，XIANG Hui-yu(項(xiàng)輝宇)，JI Lai-chun(季來(lái)春)，etal. 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車用鎳氫電池冷卻裝置的研制[J]. Automotive Technology(汽車技術(shù))，2003，01：23-25.

[3] ZHANG Guo-qing(張國(guó)慶)，ZHANG Hai-yan(張海燕). 相變儲(chǔ)能材料在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. Materials Review(材料導(dǎo)報(bào))，2006，8：9-12.

[4] LOU Ying-ying(樓英鶯)，WANG Wen(王文)，XIA Bao-jia(夏保佳)，etal. 鎳氫電池充放電傳熱過(guò)程模擬[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University(上海交通大學(xué)學(xué)報(bào))，2007，03：457-460.

[5] LOU Yu-wan(婁豫皖)，LOU Ying-ying(樓英鶯)，WANG Wen(王文)，etal. 混合電動(dòng)車用D型MH-Ni電池充電時(shí)熱行為的研究[J]. Chemical World(化學(xué)世界)，2006，12：707-711.

[6] ZHANG Yang-jun(張揚(yáng)軍)，LI Xi-hao(李希浩)，HUANG Hai-yan(黃海燕)，etal. 燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)熱管理[J]. Automotive Engineering(汽車工程)，2003，06：561-565.

[7] LOU Ying-ying(樓英鶯). 混合動(dòng)力車用鎳氫電池散熱系統(tǒng)研究[D]. Shanghai(上海):Shanghai Jiao Tong University(上海交通大學(xué))，2007.

[8] MIAO Hui(苗會(huì))，ZHANG Yi(張翼)，WANG Qiang(王強(qiáng))，etal. 蝸殼冷卻對(duì)增壓器壓氣機(jī)性能的影響分析[J]. Internal Combustion Engine and Power Plant(內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置)，2014，1：29-31.

A scheme of water-cooling of nickel metal hydride battery on electric vehicle

SHI Yun-cai1，2，LV Cai-qin1，2，ZHANG Peng-cheng1，LI Bo1

(1.VehiclesandPowerTechnologyResearchInstitute，NorthUniversityofChina，Taiyuan，Shanxi030051，China； 2.NewEnergyResearchInstitute，NorthUniversityofChina，Taiyuan，Shanxi030051，China)

The design method of the five-ring type battery pack was put forward，the method of the electric vehicle Ni-MH battery was cooled by water-cooling. GAMBIT software was used to mesh，F(xiàn)LUENT software was used to simulated，and experiments were done to verify. The temperature of the battery pack was controlled within the optimum range，the temperature difference on the surface of the battery was controlled within 3 ℃，which indicated that the method of water-cooling could improve the working condition of the battery and prolong their service life.

electric vehicle； Ni/MH battery； water-cooling； working temperature

石運(yùn)才(1990-)，男，山東人，中北大學(xué)車輛與動(dòng)力技術(shù)研究所碩士生，研究方向：電動(dòng)汽車電控與能量管理，本文聯(lián)系人；

TM912.2

A

1001-1579(2016)01-0035-03

2015-09-17

呂彩琴(1967-)，女，山西人，中北大學(xué)車輛與動(dòng)力技術(shù)研究所教授，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、疲勞設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控、車輛電控等；

張鵬程(1990-)，男，河南人，中北大學(xué)車輛與動(dòng)力技術(shù)研究所碩士生，研究方向：新能源汽車；

李 博(1990-)，男，山西人，中北大學(xué)車輛與動(dòng)力技術(shù)研究所碩士生，研究方向：動(dòng)力機(jī)械測(cè)挖技術(shù)。