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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 。

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 。

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 。

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 。

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 ;

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

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