5 、
10 、
15 ℃时 ,相同充电条件下电池组的荷电态分
别下降 10 %、
15 %、
20 %
[ 6
2
7 ]
。
因此设计良好的散热结构 ,对于电池组温度场
均匀分布 ,对保障电池的使用性能和可靠性具有重
要作用 。
1
镍氢电池组电池结构
研究对象为一款 H EV 车用镍氢电池组 ,整组
电池包括 24 个由圆柱型镍氢电池构成的模块 ,每个
模块由 5 个单体电池构成 。左边为进风口 ,右边为
出风口 ,出风口采用轴流式风机抽风 。整块电池结
构如图 1 所示 。
在对该镍氢电池组的使用和试验的过程中 ,发
现该电池组散热不均匀 ,电池性能显著下降 ,可充入
电量减 小 10 % , 且 在 80 % 的 放 电 深 度 下 , 只 有
1 000 次循环寿命 ,在 45 ℃条件下工作时 ,循环次数
减小近 60 %。在高倍率充电时 ,每 5 ℃的温升会导
致电池寿命减半 。严重影响了电池组的使用性能和
可靠性 。笔者根据混合动力车安装的要求 ,在不改
变该电池组外观尺寸和安装方式的前提下 ,对电池
组的散热结构进行了优化设计 。
图
1
镍氢动力电池组结构图
2
温度场计算模型的建立
由于电池的结构具有对称性 ,笔者采用二维基
面分析方法来进行仿真分析 。在 CA TIA 中 ,对电
池组在其纵向对称面上投影 ,获得仿真分析所用的
二维结构 。如图 2 所示 ,挡风板处为进风口 。
图
2
电池组模型的建立
要知道电池表面温度分布情况 ,就要对电池周
围流场进行分析 。根据 CFD 基本原理 ,把电池区域
分为流体和固体区域 ,空气流过的区域为流体区域 ,
电池壁厚为固体区域 。对不同的区域划分网格
[ 8
2
9 ]
。
如图 2 (b) 所示 。
由于风道内的气体流动是通过轴流式风机的抽
吸作 用 形 成 的 , 根 据 风 机 的 参 数 , 得 出 压 差 为
230 Pa 。固体区域的材料为低碳钢 ,表面镀镍 ,流体
为 40 ℃的空气 。因为电池在充放电过程中会产生
大量的热 ,为了获得良好的电池散热结构 ,以极限工
况时的电池组发热功率 1 750 W 来计算
[ 10
2
13 ]
。电池
的发热表面积为 0. 672 m
2
,根据传热学公式 ,计算
出单个模块的热流密度为 2 605. 46 W/ m
2
。
在 fluent 软件中进行仿真计算 ,由于标准的
k
2ε
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
散热结构的设计与分析
3
.
1 现有结构的温度场分析
在 fluent 软件中 ,对现有散热结构模型进行了
发热功率为 1 750 W 时的速度场和温度场的数值模
拟 ,如图 3 所示 。
图
3
现有方案速度矢量图
在进出口压力一定情况下 ,电池组内压力场和
速度场一定 ;电池进口处由于档板作用 ,局部速度较
大 。进入风道后 ,各个电池 、
支撑杆起到分流作用 ,
使气流较均匀地流过电池表面 ,对电池起均匀散热
作用 。但气流由进口水平流向出口 ,近似于串联式
冷却 。气流逐步加热 ,温度逐渐升高 ,散热均匀性
差 ,极端工况下最大温度与最小温度温差达到33 K ,
如表 1 所示 ,出口附近电池温度明显高于入口附近
电池温度 。
表
1
现有散热结构温度不均匀度计算表
极限温度 温度
/ K
平均值
/ K
温差
/ K
不均匀度 均匀度
T
max
370. 78
355. 92
14. 86
0. 04
0. 96
T
min
337. 50
355. 92
- 18. 42
0. 05
0. 95
说明
:
温度表示为
T ;
平均值表示为
t ;
温差表示为
T
-
t ;
不
均匀度表示为
T
-
t
t
;
均匀度表示为
1 -
T
-
t
t
(
后面涉及到
的表格与此意义相同
)
。
6
1
4
重 庆 大 学 学 报
第
32
卷