混合动力汽车镍氢电池组通风结构优化分析

1、锂镍电池技术探讨混合动力汽车镍氢电池组通风结构优化分析上海交通大学机械与动力工程学院 眭艳辉 王文中国科学院上海微系统与信息技术研究所 夏保佳 娄豫皖 阎永恒摘要：对混合动力汽车现有的镍氢电池组的通风结构进行了研究，分析了不同电池模块配置方式对电池组冷却空气流场和温度场分布的影响。在现有的顺排和叉排的基础上提出了梯形排列，采用软件对不同排列进行了数值模拟，结果表明，梯形排列方式可以较好地改善电池组温度分布的均匀性。最后，设计了梯形排列电池组样机，并进行了充放电和温度测量试验，验证了数值仿真的结果。关键词：混合动力汽车；镍氢电池；通风；数值模拟前言混合动力车(HEV)是当今汽车节能环保的发展方向

2、之一 1 。镍氢电池因其高比能量、高比功率、高寿命、无污染等优势,已经在HEV用动力蓄电池中得到了广泛应用 2 。由于在充、放电过程中,电池本身会产生热量,导致温度上升,而镍氢电池对温度环境比较敏感,在作为大容量、高功率动力电池应用时尤其明显,太高或太低的温度都会大大影响电池的充放电性能和很多特性参数, 例如内阻、电压、SOC、可用容量、充放电效率和电池寿命 3 。此外,温度分布不均匀也会影响电池组的充放电性能和寿命。因此必须使电池组工作在理想的温度范围,从而使其性能和循环寿命达到最优,并排除因热失控而引起的潜在危险 4 。一般说来,混合动力车用镍氢电池散热系统的目标是将电池的工作温度控制在0

3、40,模块间的温差在5以下。出于经济性的考虑和目前镍氢电池充放电产生的热负荷,对电池组通风是最简单可行的散热方式,同时通风还可以排出镍氢电池工作过程中产生的氢气。良好的通风结构对风冷电池组至关重要,可使电池组处于最佳温度范围内,并满足温度分布均匀性要求。目前国内外相关研究工作主要集中在通过设置引风装置、集流结构、调整挡板及电池的位置、改变电池倾斜角度和电池的间距、包覆保温层等方法,调整电池组局部结构来改善电池组温度分布均匀性,取得了较好的成效 5 - 6 。文中分析了影响通风结构的主要因素,着眼于电池组的整体散热结构,通过对现有镍氢电池组通风结构进行优化分析,提出了梯形排列的概念,阐述了梯形排

4、列用于电池组设计的优势,并通过ANSYSCFX软件进行数值模拟分析,比较了梯形排列和常见的顺排与叉排结构。设计了梯形排列电池组样机,通过实验和数值模拟,分析了样机的性能。电池组通风结构电池模块排列方式常见的圆柱形电池组成的电池组是将数个电池单体串联连接成一个电池模块,然后将电池模块按照既定间隔平行配置在电池箱内。电池模块排列方式可以分为顺排和叉排7两种,如图1(a)和图1(b)所示。图1电池模块排列方式不管是顺排还是叉排都存在一个问题,即都是沿着空气流通的方向排列,如果忽略温度产生的影响,平均风速基本不变。沿着空气流通方向,刚进入电池组的冷却风与电池表面进行对流换热,冷却了上游电池模块后自身温

5、度上升,其冷却电池的能力下降,因而下游的电池温度会高于上游电池,导致电池组各处散热效果不一致,各个电池模块的温度分布不均。另外考虑到电池箱中间电池靠近出风口的电池的温度会偏高,这样导致整个电池箱内的整体温度分布不均,从而对电池容量和电池使用寿命都会有影响。而在叉排基础上提出的梯形排列 8 (见图1(c)则可以在一定程度上缓解上述温度场不均匀的问题,通过沿着气流方向逐渐减少电池数目,使通道面积逐渐缩小,风速逐渐增大,换热系数电池技术年月刊也随之增大。这样,虽然沿着流通方向冷却风的温度上升,但是冷却风的速度加快,换热系数增大,平衡了上下游的散热效果,使电池组上下游的温度能基本控制在比较均匀的水平上

6、。1.2不同通风结构数值模拟通过二维数值模拟分析,比较3种电池模块排列方式下的通风结构产生的温度场情况。利用AN2SYS CFX软件,对不同通风结构的电池组1C充电的情况进行稳态分析。模拟条件为:相邻电池模块的间隔为5mm,电池的发热功率( 1C充电条件下)为23.541kW/m3 ,介质为空气,进风口均匀分布在电池组底部,进出口空气压差设为50Pa,电池箱外表面边界条件设为绝热,模拟稳态传热。利用ANSYS Workbench软件的CFX mesh模块对电池组和电池箱体内空气进行网格划分,并对流体和固体的交界面进行了耦合处理,即设定流固交界面传热方式为heat flux,设定由固体传出的热量

7、等于流体吸收的热量,实现流体和固体之间热量的传递。经过计算得到了在1C充电条件下不同通风结构的电池组中冷却空气的流场和温度场和电池的温度分布情况,模拟结果如图2图4所示。图2顺排电池组流线图和温度分布由图2图3中可以看出:顺排电池组中,沿着流通方向,流体流速基本没变,流场中最高流速为7.717 6m / s,靠近进风口的底层电池模块的温度最低,中间层中间2个电池模块的温度偏高,电池组中的最高温度为6218, 电池中心最大温差约为914;叉排电池组中,在流线图中气流较多地流向了靠近电池箱壁的间隙,较少流过中间电池模块,造成从底层到顶层,沿着空气流通方向,电池模块温度依次升高,叉排电池组内的最高流

8、速为7.717技术探讨 6m/s,叉排电池组中的最高温度为54.5,从底层到顶层电池体,即从进风侧到出风侧,沿着空气流通方向,温度越来越高,电池中心最大温差为9。可以看出,叉排可以提高电池表面对流换热系数,对电池组的冷却效果要比顺排好。从图4可看出:梯形排列电池组中,冷却空气的流速从底层到上层,沿着流通方向逐渐增大,换热系数也就随之增大,虽然冷却风在冷却电池的过程中,本身的温度上升,散热能力下降,但从底层的5个电池模块到中间层的4个电池模块,再到上面的3个电池模块,冷却风对电池表面的散热能力能够基本保持一致,整个温度场的分布均匀性非常好,电池组内最高温度为54.5,电池中心最大温差只有3,而在

9、相同进出口压差、相同出风口大小以及相同的环境下,顺排和叉排的电池中心最大温差分别为9.4和9,说明相比顺排和叉排,梯形排列能够有效地改善温度分布的均匀性。图3叉排电池组流线图和温度分布图4梯形排列电池组流线图和温度分布电池技术年月刊锂镍电池技术探讨梯形排列电池组图5梯形排列电池组结构图结构设计如图5所示,梯形排列电池组是将12个电池模块按照既定间距叉排配置成一个梯形排列电池组,每个电池模块有6个镍氢电池串联连接而成,两个梯形排列电池组串联连接成一个大的电池组,额定电压为144V。为平衡模块前后电池的散热条件,电池模块以梯形排列方式配置在电池组内,电池箱体外壳截面的形状是等腰梯形,冷却空气从电池

10、箱底部的进风口进入电池箱,沿着流通方向从上游到下游,风道的截面面积逐渐减小,以增加下游的风压,增大流速。梯形排列电池组的设计平衡了上下游的散热条件,使得整个电池组的温度趋于均匀。数值模拟图6梯形排列电池组模型利用ANSYS CFX 软件对梯形电池组样机分别进行稳态和瞬态分析。根据对称性, 取电池组的一半建立模型并进行分析。利用ANSYS Workbench中的CFX mesh 模块对箱体外壳、冷却空气、电池组进行网格划分, 将得到的网格文件导入CFX前电池技术年月刊处理模块中。如图6 所示, 冷却介质为空气, 进风口均匀分布在电池组底部,设定进出口压差为50Pa,外壳和周围环境的对流换热系数为

11、10W/(m2 K) 。箱体外壳和冷却空气,冷却空气和电池之间均为流固耦合换热,设定流固交界面传热方式为heat flux。2.2.1 1C充电稳态分析对梯形电池组在1C充电条件下充放电过程进行稳态分析,电池的发热功率为231541kW/m3 ( 1C充电) ,环境温度为20,结果见图7。图7梯形排列电池组的流场图和温度分布对梯形排列电池组在10C充电条件下充放电过程进行瞬态分析,电池的发热功率为435.377kW /m3(10C充电) , 环境温度为25。充电时间设为216 s,时间步长设为1 s,每一个步长最多迭代20次。图8t = 216 s时梯形排列电池组的温度分布分析结果见图8, 从

12、图中可看出,与稳态分析的结果类似,温度最高的电池位于电池组右下侧靠近进风口处,说明上下游的散热条件基本一致,甚至下游的散热条件还优于上游,这在顺排和叉排电池组中很难看到。最高温度为39.2,电池中心温差很小,最大为115,说明温度场均匀性非常好。进风口进入电池组的空气一部分产生了回流,但只3充放电和温度测量试验为了验证数值模拟分析结果,对试验样机电池组进行测试,其中电池单体额定容量为6A h。温度采集设备为keithley2701数据采集与控制器,通过上面连接的多个热电偶对电池组进行温度场测试;电化学充放电设备为Arbin BT2000电池充放电仪。图9示出电池模块编号及热电偶的位置。每个电池

13、模块由5个QNY6电池串联而成,热电偶在电池表面。热电偶位置的布置原则是使热电偶对流场分布均匀性的影响较小。图9电池模块编号及热电偶位置图为了更好地将试验的结果与数值模拟分析结果进行对照,着重比较分析电池组中间截面上12个电池的温度分布情况,电池组中间截面上的电池温度分布准确地反映了各电池模块的温度分布情况。梯形排列电池组充电实验充电制度为：在1C ( 6A) 充电条件下充电60min,即充电至SOC = 100%。分别在风机关闭和风机打开时作上述实验。风机不开启,在自然对流条件下,对电池组进行1C充电,在充电还未结束时,电池组最高温度已经达到45,为了保证电池安全,强制停止充放电过程。电池温

14、度分布如图10所示。此时在电池组中间截面的12个电池中,电池最高温度为44.70,位于电池模块4;电池模块10温度最低,为36.24。电池组最大温差为8.46。靠近进风口的底层4个电池模块整体的温度较低,中间层电池模块靠近电池箱两侧外壳的电池模块温度相比底层电池模块较高一些,中间层其余2个电池模块和上层3个电池模块温度较高。随着进一步充放电,电池模块之间的温差会继续加大,因此采用风机对电池组进行强制对流散热十分必要。图10风机关闭时1C充电电池温度分布电池组中间截面最高温度为28.24,位于电池模块1;其次为电池模块4。由于热电偶的位置在电池组中心,而实际上电池技术探讨 模块1的整体温度比电池

15、模块4要低。最低温度为24.10,位于电池模块10,电池组最大温差为4.14。靠近进风口的底层4个电池模块整体的温度较低,中间层电池模块靠近电池箱两侧外壳的电池模块温度相比底层电池模块较高一些,中间层其余2个电池模块和上层3个电池模块温度较高。整体上电池组温度均匀性比较好,这与1C充电的模拟结果基本一致。模拟结果表明,当室温为25,在长时间的1C充电条件下(事实上只能连续充1h左右) ,电池组的温度稳定在306K ( 33) , 电池单体中心的最大温差为2.1,实际充电1h,最高温度为28.24,比模拟结果长时间1C 充电温度要低, 电池最大温差为4.14,比模拟结果要大,这是因为在实际的充放

16、电和温度测量实验中,电池单体一致性的差异和热电偶对电池组流场的影响,这些都在较大程度上影响了电池组流场的分布,增大了温度分布的不均匀性。图11风机打开时1C充电电池温度分布梯形排列电池组充放电实验充放电制度为: 风机开启,在2C ( 12A)充电条件下充电30min,搁置20min,然后在2C (12A)放电条件下放电至120V。图12风机打开时2C /2C充放电电池温度分布如图12所示,在时间为30min,即充电结束时,各电池模块温度均最高,此时,靠近进风口底层的4个电池模块整体的温度较低,中间层电池模块靠近电池箱两侧外壳的电池模块温度相比底层电池模块较高一些,中间层其余2个电池模块和上层3

17、个电池模块温度较高。最高温度为24.20,位于电池模块4;最低温电池技术年月刊锂镍电池技术探讨度为20.31,位于电池模块10;最大温差为3.89。梯形排列电池组充放电实验充放电制度为: 风机开启,在5C ( 30A)充电条件下充电8min,搁置20min,然后在5C (30A)放电条件下放电至120V。电池温度随时间的变化情况如图13所示。5C充电时温度上升较快,在充电结束时,电池组中间截面最高温度为30.2,在电池模块6处,此时最低温度为24.9,在电池模块9处,最大温差为5.3。放电时,曲线的斜率比充电时要小一些,说明发热量比充电时要小。图13风机打开时5C/5C充放电电池温度分布梯形排

18、列电池组大电流循环充放电实验在复杂路况,如下坡、制动等场合,经常会有短时间大电流充放电情况发生。大电流放电时,电池发热比较严重,因而循环次数不能过多,否则整个电池组的温度会超过电池正常使用温度范围,对电池组的性能和使用安全是不利的。图14大电流循环充放电电池温度分布设置充放电制度为:在30A充电电流条件下充电1.5min, 90A放电0.5min,循环4次。瞬态分析中,初始温度为25, 10C充电216 s后,电池最高电池技术年月刊温度为39.2,升高了14,电池中心温差很小,最大为1.5,说明温度场的均匀性非常好。在大电流循环充放电实验中,考虑到电池安全性,采用5C电流充电,室温17,电池温度分布如图14 所示, 电池组中间截面上, 最高温度为31.35,位于电池模块4,升高了14,跟模拟结果基本一致;同一时刻,最低温度为25.90,位于电池模块3,最大温差为5.45,比模拟结果高,这是由电池单体性能一致性的差异引起的,另外热电偶因数目多且体积较大,会影响流场分布,进而影响电池组温度均匀性。结论一个良好的通风结构可以明显改善电池组之间温度不均匀现