基于cfd的镍氢电池散热结构优化

基于cfd的镍氢电池散热结构优化

热设计及热性能作为混合动力车辆（hv）的能量平衡装置，电池对整个车辆的性能有着重要影响。目前，hv使用的电池主要是能量高、功率高、寿命长、污染少等综合优势。由于HEV车用镍氢动力电池其充放电过程是典型的化学反应过程,如不及时散热,其伴生的反应热很容易引起电池组内的热量累积,如果散热不均匀,更会造成电池组内相当大的温差。电池组温度场不均匀,将造成各电池模块、各单体电池性能的不均衡,最终严重影响电池的使用性能和可靠性。电池散热结构的设计对于保障镍氢电池的长期正常使用是十分必要的。采用CFD模型来预测镍氢电池散热结构的流场状态和温度场,并结合试验,验证镍氢电池散热结构的性能,对于提高HEV镍氢动力电池组散热结构的设计效率和产业化开发具有重要的意义。1镍氢电池的生热量镍氢电池由镍氢化合物正电极、储氢合金负电极以及碱性电解液组成。电池内部存在着的反应为式中M为储氢合金,MH为吸附了氢原子的储氢合金。电池长期过热将会降低电池的容量和充放电效率,导致电池的自放电率增大,隔膜和密封件等的性能恶化,从而加速镍电极和储氢电极的恶化,严重情况下可能会出现热失控。因此必须采取措施来最大限度地减少电池在使用过程中的热量累积,通过仿真优化结合试验,提高对电池组的热量控制技术从而保证电池组使用的可靠性和稳定性。热量的计算对计算机建模仿真很重要。美国再生能源实验室通过仪器测得各种充放电条件下的生热量。结合理论和实验,可以从电化学的角度计算生热量,也可通过在电池内部布置热电偶测得内部温度,从温度的角度计算。另外,还有结合等价电路和热力学的方法,结合电化学能和热力学的方法确定生热量。文献利用镍氢电池电化学反应原理分析了镍氢电池的生热量。根据电化学反应中电子迁移个数与反应生热量之间的关系进行推导。作者采用了最后一种应用比较广泛的算法。镍氢电池的生热因素主要有:电池化学反应生热、电池极化生热、过充电副反应生热、内阻焦耳热。电池的充电过程分为2个阶段。在没有发生充电副反应之前为第1阶段,生热量主要来自电化学反应热、电化学极化热、电池内阻焦耳热,即Qcharge1=0.547Ic+3.6I2cRt(2)式中Qcharge1为电池在没有发生充电副反应阶段的生热量,kJ/h;Ic为电池的充电电流,A;Rt为电池内阻和极化内阻的和,Ω。在发生过充电副反应之后为第2阶段,生热量主要来自电池化学反应生热、电池极化生热、过充电副反应生热、内阻焦耳热。其中大部分的生热量来自于过充电副反应生热。充电末期和过充电时,过充电副反应就开始发生,其生热量为Qcharge2=5.334Ic+3.6I2cRt(3)电池放电过程中的生热量主要来自电池化学反应生热、电池极化生热、内阻焦耳热。因镍氢电池放电时化学反应是吸热反应,能吸收一部分热量,所以生热问题不是很严重,生热量为Qdischarge=-0.547Id+3.6I2dRt(4)式中Qdischarge为电池在放电过程中的生热量,kJ/h;Id为电池的放电电流,A。镍氢电池在充放电过程中的充放电行为可以用图1直观地表示出来。电池在充放电过程中产生的热量为Qbat=Qcharge1+Qcharge2+Qdischarge(5)式中Qbat为电池在充放电过程中产生的热量,kJ/h。2热交换特性分析镍氢电池散热结构的冷却方式有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却。文中涉及的蓄电池散热结构采用空气冷却方式。通过抽风机将冷却空气吸入镍氢电池箱内,进入风道后,各个电池、挡风板起到分流作用,气流较均匀流过电池表面,对电池起散热作用。换热后的热空气通过抽风机抽出电池外。电池的换热模型可以简化如图2所示。所建热量模型将电池简化为电池内部和电池壳体两个部分。电池内部所有的组成部分,例如活性材料、阴极和阳极、电流采集器和隔板简化为一个整体并且具有形同的特性。热量从电池内部传导至电池外壳,再由外壳外表面和外部流动冷却空气进行热交换,达到散热的目的。基于上述模型,可得蓄电池温度场仿真计算公式为Qcase=(Tbat-Tair)/Reff(6)Τair=Τenv+0.5Qcase˙mCair(7)Reff=1hA+1kA(8)h={hforced=a(˙m5ρS)b,Τbat＞ΤfanΟΝhnatural=4,Τbat＞ΤfanΟFF(9)式(6)～式(9)中Qcase为从电池外壳散热到冷却空气中的热量,kJ/h;Tbat为电池温度,K;Tair为冷却空气温度,K;Reff为有效热阻,Ω;h为换热系数,分为风扇运转时的强制对流换热系数hforced和风扇关闭时的自然对流换热系数hnatural,W/(m2·K);A为空气流过模块间缝隙的截面积,m2;k为电池外壳导热系数,W/(m·K);a,b为经验系数;ρ为空气密度,kg/m3;S为模块与冷却空气的热交换面积,m2;Tenv为环境温度,K;˙m为空气质量流量,kg/s;Cair为空气比热,J/(kg·K);TfanON为风扇开启时的温度,K;TfanOFF为风扇关闭时的温度,K。通常情况下,进口处冷却空气温度为环境温度。若将式(5)所得电池热量Qbat代入下式,即可得某一时刻电池温度,即Τbat=∫t0Qbat-QcasembatCbatdt(10)式中mbat为电池的质量,kg;Cbat为内部电池平均比热,J/(kg·K)。3杏仁电池加热分析3.1电池模型的建立基于前期的先验知识、样件和部分试验结果,进行了镍氢电池组散热系统三维模型的设计,并完成了三维网格模型的创建,如图3所示。由于模型的对称性,只取1/4模型作为计算模型,这样既精简了结构,使计算量大大减小,又不影响整个模型的流场和温度场的分析结果。如图3(b)所示,左边为进风口,挡风板在进风口附近;右边为出风口,出风口风扇抽风;电池组分上下两层分布,每层12个模块,前面6个上下正对,后面6个上下错位排列。电池内部楔形送风,保证了上下风压。根据前期的经验知识,因为电池长度较长,故流体流程较长,后面错排和楔形送风有利于前后冷却均匀。3.2能量平衡方程在电池温度场分析中,除了采用描述流动特性的连续性方程、动量方程和k-ε方程外,还考虑了能量平衡方程。这样,在三维笛卡尔坐标系中,以张量形式表示的湍流对流换热控制微分方程如下。(1)连续方程为∂ρui/∂xi=0(11)(2)变量方程为∂∂xj(ρuiuj)=∂∂xj[μeff(∂ui∂xj+∂uj∂xi)-23μeff∂uk∂xk]-∂p∂xi(12)(3)东德+ujxj[ujxj]1∂∂xj(ρcjΤ)=∂∂xj[αΤ(μeff∂Τ∂xj)]+∂uj∂xj[μeff(∂ui∂xj+∂uj∂xi)-23∂uk∂xk](13)(4)崔里的动能方程为∂∂xi(ρuik)=∂∂xj[(μ+μtσk)∂k∂xj]+Gk+Gb-ρε-YΜ+Sk(14)(5)集料密度及湍流动能∂∂xi(ρuiε)=∂∂xj[(μ+μtσε)∂ε∂xj]+C1εεk(Gk+C3εGb)-C2ερε2k+Sε(15)式(11)～式(15)中ρ为流体的密度;ui、uj、uk为流体在坐标系中的i,j,k方向上的速度分量;μeff为有效导热系数;xi、xj、xk为在坐标系中的i、j、k方向上的分量;cj为比热容;μ为动力黏度;μt为湍动黏度;Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能;Gb为由浮力产生的湍流动能;YM为由于在可压缩湍流中,过渡的扩散产生的波动;C1ε、C2ε、C3ε为经验常数;σk为湍动能k方程对应的湍流Prandtl数;σε为耗散率ε方程对应的湍流Prandtl数;Sk和Sε为用户定义的源项,按实际问题而定。3.3边境条件3.3.1热设计及热功率的施加电池散热结构采用出口抽风的冷却方式。参照已有样机风机性能参数,风机的压差为230Pa。电池固体区域的材料为低碳钢,表面镀镍。为考察比较极限的情况,取进口为40℃的冷却空气,因为电池在充放电过程中会产生大量的热。电池组的发热功率参照式(3)～式(5)的计算方法及具体试验结果,取极限工况发热功率为500～1750W,施加于电池的内壁面。在Fluent软件中进行仿真计算,由于标准的k-ε湍流模型能提供流动的真实情况,尤其适合于计算通道中的湍流流动,计算时采用该模型。3.3.2瞬态分析的极限工况瞬态边界条件与稳态计算的边界条件基本一致,不同的是施加在电池上的产热功率是瞬态变化的,不是恒定的。在进行瞬态分析时,采用了极端条件下可靠性试验采用的极限工况循环,其中一个循环的充放电如图4所示。由上述电池热量计算式(2)～式(5),可以得到电池在充放电过程中的产热功率(J/s)见图5。3.4模拟的计算和分析3.4.1热功率对电池稳态工况温度变化的影响1～12号电池为电池的下层,13～24号电池为电池的上层。1号电池对应进风口位置以及挡板位置,13号电池对应电池的出风口,顺序依次排序。电池组稳态工况温度变化情况如图6所示。从图6可见,原有电池的温度存在较大的温差,随着发热功率加大,电池的整体温升较大,电池组内的温度不均匀性有所扩大。通过与试验对比,发热功率为500W时的仿真结果与试验结果基本吻合,持续750W的发热功率在实际使用中就已经很少出现。分析及试验结果表明:该冷却结构的电池进出风口的温差较大,不能满足温度场均匀性的要求,需要改进。3.4.2电池充放电过程中温度不均匀性的变化将实车工况转换成电池的实际发热工况,使用UDF函数将瞬态发热工况编程,从Fluent中激活UDF函数将瞬态发热工况加载到电解液部分。计算结果如图7所示。通过计算结果可知,电池在充放电时,随着时间的增加,电池间温差逐步增大。120A放电电流很大,电池吸收的热量反应远远小于电池放出的热量,在该阶段电池放出大量的热,放电后电池组的温度不均匀性有所增大;40A充电的阶段,电池也放出大量的热,但小于120A放电过程产生的热量,充电后温度不均匀性有所增大。最高温度和平均温度温差为7.8059℃;最低温度和平均温度温差为9.3639℃。原有模型的温度不均匀情况较差,需要进一步优化模型。3.5瞬态温度仿真通过调整挡板及电池的位置、改变倾斜角度和电池的间距、施加挡风板、包覆保温层的方法可以使气流分布和电池组温度场均匀性得到改善。通过比较得到较优化的方案为改进结构,同时给出电池包热阻的方案。电池组包覆保温层优化模型如图8所示。如图8(b)所示,左边为进风口,右边为出风口。出风口风扇抽风。通过调整电池的位置,使得电池排列方向和箱体面成一定夹角,通道面积沿流动方向逐渐减小。楔形的进排气通道使不同模块间的缝隙上下压力差基本保持一致,增加了下游的风压,又能使气流尽可能均匀分配。在此改进的结构上,为了保证电池表面温度的均匀性,在温度低散热效果好的电池表面增加热阻,使电池和空气减少换热,提高局部电池温度,从而使整个电池组温度更加均匀。稳态计算结果如图9所示,可见优化后的电池箱内的温度存在较小温差变化。通过试验和仿真的对比表明,瞬态计算与实际结果有较好的对应性,该方案的瞬态温度计算结果如图10所示。从图10可以看出,优化模型较原有模型电池组内温度不均匀性有显著的改善。满足了电池实际使用温度场均匀性的应用要求。表1、表2为电池组原有和优化仿真模型在一个瞬态循环工况的最后1s的电池模块的温度值。从表1、表2可以看出,经过大电流的充放电,原有模型的最后温差达到17.2℃,相同工况下,优化模型的最后温差达到2.83℃。通过比较可以看出优化模型大大改善了电池组