（光学工程专业论文）混合动力车用镍氢电池组散热系统cfd仿真与结构设计.pdf

simulation and optimization on heat dissipation system of mh-ni battery packs for hybrid electric vehicle a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by ma zhaoqiang supervised by prof. qin datong major：vehicle engineering college of mechanical engineering of chongqing university, chongqing, china may, 2011 中文摘要 i 摘 要 混合动力汽车(hev)发展迅速，已逐渐成为未来汽车重要发展方向之一。动力 电池作为 hev 的主要储能元件，直接影响到 hev 的性能。镍氢(mh-ni)电池具有 比能量高、比功率高、寿命长、充电快速、记忆效应不明显、污染少等优点，成 为 hev 的首选电池。 镍氢电池组在充、放电过程中产生大量的热量，如果散热不及时，会导致电 池组内部温度过高和电池组模块之间温度分布不均匀，可充入的电量减少，从而 影响到电池的性能和寿命。为了提高电池性能的可靠性，不仅要求电池组的工作 温度保持在一定的临界温度之下，而且要求各电池单体之间的温差控制在一定的 范围以内。因此，电池组是否具有良好的散热系统就显得尤为重要。本文采用数 值模拟技术和试验验证方法分析了单体电池在使用条件下的温度分布，并进行了 电池组散热性能预测及结构优化设计，对提高电池使用性能具有重要的现实意义。 本文主要做了以下几方面的工作： 根据镍氢电池电极反应及生热原理得到了电池生热量计算公式，由传热学 的质量、动量和能量守恒定律建立了镍氢电池的三维非稳态散热模型； 采用计算流体力学(cfd)方法，对镍氢电池单体的温度场进行了数值模拟， 为验证仿真分析模型的准确性，进行了镍氢电池充放电试验和温度场测量，仿真 结果与试验结果基本一致，电池单体温度场模型能够反应电池壳体表面的温度场 分布信息； 根据国内对电池组散热系统的研究现状，本文采用两种体热源加载方式进 行了混合动力汽车用镍氢电池组散热系统温度场稳态仿真分析，其中一种加载方 式是将体热源加载到整个电池壳体内部，另一种加载方式是直接将体热源加载到 电堆区域，从数值模拟的角度分析了这两种热源加载方式对仿真结果的影响，指 出了这两种热源加载方式的异同； 提出了混合动力车用镍氢电池组散热系统的优化方案，并进行了电池组散 热系统最优模型的稳态和瞬态仿真分析。结果表明最优模型可实现镍氢电池组的 良好散热，有效地降低了电池表面的最高温度和电池单体之间同一位置的最大温 差，从而满足了混合动力汽车对镍氢电池的使用要求。 关键词：镍氢电池，散热系统，温度场，计算流体力学，仿真，试验 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract hybrid electric vehicle (hev) has been developed rapidly, and it has become an important future direction of the autos. as the main energy storage components, battery affects the performance of hev directly. with the characteristics of high specific energy, high specific power, long life, fast charging, faint memory effect, less pollution, etc., nickel-hydrogen (mh-ni) battery becomes the first choice for hev. mh-ni battery will generate a lot of heat during charging and discharging, if the heat is not dissipated promptly, it can lead to overheat of the battery pack, temperature difference among the battery modules and quantity diminution of electricity, thus affects the performance and life of the battery. in order to improve the reliability of battery, not only the battery temperature is required to maintain below a certain critical temperature, but also the temperature difference among the battery modules is required to keep within the reasonable bounds. so, battery pack has a good cooling system or not is particularly important. using numerical simulation and test validation methods to analyze the temperature distribution of the single mh-ni battery under given conditions, predicting the thermal performance of battery packs and optimizing the cooling system structure have important practical significance. the main works in this thesis include: calculation formula of battery heat was derived according to mh-ni batterys electrode reaction and heat theory. a three-dimensional, transient heat dissipation model was built for mh-ni battery, based on the mass, momentum and energy conservation equations. the model was applied to simulate the temperature field of the single mh-ni battery using computational fluid dynamics (cfd) software. a temperature measurement experiment of the single mh-ni battery during charging and discharging periods was carried out to confirm accuracy of the simulation analysis. it indicates that the simulation results can consist well with the experimental data, and the temperature field model of single mh-ni battery can reflect the temperature distribution information of the surface of the battery shell. in the light of domestic research status of battery cooling system, two loading modes of the body heat were applied to carry out the static-state simulation of the mh-ni battery pack temperature field. one is that the body heat was loaded on the 重庆大学硕士学位论文 iv inside of the entire battery shell, and the other one was loaded on the galvanic pile area directly. the influence of the two loading modes on simulation results and the difference between them were analyzed from the perspective of numerical simulation. an optimization scheme of the mh-ni battery cooling system was proposed and simulation analysis on both steady and transient state of the optimal model of battery cooling system was carried out. the results showed that the optimal model performed favorable cooling and diminished the maximum temperature of the battery surface as well as the maximum differential temperature at the same place between battery monomers effectively, thus satisfied the application requirements of the mh-ni battery on hybrid electric vehicles. keywords：nickel-hydrogen battery, heat dissipation system, temperature field, computational fluid dynamics, simulation, experiment 目 录 v 目 录 中文中文摘要摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 符符 号号 表表 . ix 1 绪绪 论论 . 1 1.1 本文的研究本文的研究背景背景与课题来源与课题来源 . 1 1.2 混合动力车用动力电池发展概况混合动力车用动力电池发展概况 . 2 2.1.1 混合动力车用动力电池的应用与产业化现状 . 2 2.1.2 mh-ni 电池的发展现状 . 3 1.3 mh-ni 电池散热系统的必要性电池散热系统的必要性 . 4 1.4 mh-ni 电池散热系统的研究现状电池散热系统的研究现状 . 5 1.5 论文主要研究内容论文主要研究内容 . 8 2 hev 车用车用 mh-ni 电池温度场电池温度场 cfd 仿真理论分析仿真理论分析 . 9 2.1 hev 车用车用 mh-ni 电池基本原理电池基本原理 . 9 2.1.1 mh-ni 电池的工作原理 . 9 2.1.2 mh-ni 电池的电极反应 . 9 2.1.3 mh-ni 电池生热原理分析 . 10 2.2 cfd 理论理论 . 12 2.2.1 cfd 概述. 12 2.2.2 计算流体力学控制方程 . 13 2.2.3 计算流体力学的求解过程 . 16 2.3 fluent 软件在软件在 mh-ni 电池热分析上的应用电池热分析上的应用 . 17 2.4 本章小结本章小结 . 17 3 mh-ni 电池单体温度场电池单体温度场 cfd 瞬态仿真分析瞬态仿真分析 . 19 3.1 mh-ni 电池单体数值计算模型电池单体数值计算模型 . 19 3.1.1 几何模型 . 19 3.1.2 网格模型 . 20 3.2 边界条件边界条件 . 21 3.2.1 电池热物理参数的确定 . 21 3.2.2 边界条件及初始条件 . 22 3.3 仿真结果分析仿真结果分析 . 26 3.4 hev 车用车用 mh-ni 电池单体温度场试验研究电池单体温度场试验研究. 27 重庆大学硕士学位论文 vi 3.4.1 试验设备 . 27 3.4.2 温度传感器布置方案 . 29 3.4.3 试验内容 . 29 3.4.4 仿真与试验结果对比分析 . 29 3.5 本章小结本章小结 . 30 4 hev 车用车用 mh-ni 电池组散热系统电池组散热系统 cfd 仿真分析仿真分析 . 33 4.1 散热系统流量分配散热系统流量分配 . 33 4.1.1 散热系统模型 . 33 4.1.2 风机工作点的确定 . 34 4.1.3 电池组流量分配 . 36 4.2 热源为整个电池壳体内部的电池组散热系统热源为整个电池壳体内部的电池组散热系统 cfd 仿真分析仿真分析 . 36 4.2.1 计算模型 . 36 4.2.2 边界条件 . 38 4.2.3 仿真结果分析 . 39 4.3 热源为电池电堆区域的电池组散热系统热源为电池电堆区域的电池组散热系统 cfd 仿真分析仿真分析 . 43 4.3.1 计算模型 . 43 4.3.2 边界条件 . 43 4.3.3 仿真结果 . 43 4.4 两种仿真两种仿真结果比较分析结果比较分析 . 46 4.5 本章小结本章小结 . 47 5 hev 车用车用 mh-ni 电池组散热系统结构优化与瞬态仿真分析电池组散热系统结构优化与瞬态仿真分析. 49 5.1 下层下层 mh-ni 电池组散热系统结构设计电池组散热系统结构设计 . 49 5.1.1 电池结构 . 49 5.1.2 仿真结果分析 . 50 5.2 上层上层 mh-ni 电池组散热系统结构设计电池组散热系统结构设计 . 52 5.2.1 电池结构 . 52 5.2.2 仿真结果分析 . 52 5.3 mh-ni 电池组散热系统最优模型电池组散热系统最优模型 cfd 瞬态仿真分析瞬态仿真分析 . 54 5.3.1 边界条件 . 54 5.3.2 仿真分析结果 . 58 5.4 本章小结本章小结 . 61 6 总结与展望总结与展望 . 63 6.1 全文总结全文总结 . 63 6.2 工作展望工作展望 . 64 目 录 vii 致致 谢谢 . 65 参考文献参考文献 . 67 附附 录录 . 71 a. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文作者在攻读硕士学位期间发表的论文 . 71 b. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目 . 71 重庆大学硕士学位论文 viii 符 号 表 ix 符 号 表 英文字母： q 单位体积生热速率，w/m3 r 电阻， p 压力，pa h 焓， j t 温度，、k n 电子数 i 电流，a q 生热量，kj/h v 体积，mm3 m 质量，kg c 比热容，w/(kgk) e 电压，v 密度， kg/m3 a )面积，m2 t 时间，s p 功率，w h 对流换热系数，w/( m2k f 质量力，n u 速度，m/s 希腊字母： 粘性系数 导热系数， w/(m k) 下标： r 反应 j 焦耳 p 极化 c 充电 d 放电 t 总 charge1 无副反应充电 charge1 有副反应充电 discharge 放电 bat 电池总的 重庆大学硕士学位论文 x 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 本文的研究背景与课题来源 能源与人类社会的生存发展息息相关，可持续发展是全人类的共同愿望和奋 斗目标。为了实现可持续发展，必须保护人们赖以生存的自然环境和充分利用有 限的自然资源1。目前人类对石油的需求量越来越大2，汽车尾气造成的环境质量 越来越差，导致替代燃料汽车、纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车都得 到了研究与发展3。 混合动力汽车(hybrid electric vehicle， 简称 hev)在一辆汽车上同时配备了电 力驱动系统(traction motor)和辅助动力单元(auxiliary power unit, apu)4，目前 hev 所用的原动机一般为汽油机、柴油机和燃气轮机和与其相匹配的电动机。与 纯电动汽车和燃料电池电动汽车相比，hev 不论在动力性能、续驶里程，还是在 使用方便性上都具有明显的优势，是当今最具有实际开发意义的低排放和低油耗 汽车，有着巨大的商业价值和广阔的市场前景5 、6。 动力电池作为 hev 的主要储能元件，是 hev 的关键部件7 、8，其性能好坏直 接影响到 hev 的性能。随着 hev 的发展，动力电池的研发速度也得到了空前提 高。镍氢电池(mh-ni)是继 cd-ni 电池之后的新一代高能二次电池，由于它具有比 能量高、比功率高、寿命长、充电快速、记忆效应不明显、污染少等优点9，成为 hev 的首选电池。 伴随着镍氢电池组的充放电，会有大量的热量产生，如果产生的这些热量不 能及时有效的散出，会造成镍氢电池组内单体电池表面的温度过高，还会导致电 池组内部每个电池单体同一位置的温度分布不均匀。单体电池内部温度较高会加 快电堆区域(正极板、负极板和隔膜)的电化学反应，特别会加剧有害化学反应的速 率，这样会永久性地损坏电池的结构，严重影响电池的使用寿命。镍氢电池组模 块之间温度分布不均匀又将导致部分电池出现过充或过放电现象，从而影响到电 池的性能1013。为了提高电池的使用寿命和安全性，既要保证电池组内每个单体 电池表面的最高温度在55以下，又要保证每个单体电池同一位置的温差控制在2 之内。因此，良好的散热系统对混合动力汽车用镍氢电池组至关重要。 为了节约研发成本，缩短研发周期，计算机仿真分析技术已广泛应用于混合 动力汽车电池组散热系统的研发中。 建立 mh-ni 电池单体和 mh-ni 电池组的温度 场和流场的理论分析模型，采用 cfd 方法分析电池在工作情况下的温度分布信息 ，从而进行镍氢电池组散热系统的性能预测和结构优化设计，为研发一款适合混 合动力汽车运行的散热系统提供理论依据。 重庆大学硕士学位论文 2 1.2 混合动力车用动力电池发展概况 在 hev 上，动力电池必须是具有强大能量的动力电源，除了作为汽车驱动动 力能源外，还要向动力转向系统等提供动力能源。hev 对动力电池的基本要求如 下： 比能量 比能量是保证 hev 续驶里程的重要指标，连续 2h 放电率的比能量应不低于 44wh/kg。 充电时间短 动力电池的正常充电时间应小于 6h，动力电池应能适应快速充电的要求，动 力电池快速充电达到额定容量的 50%时的时间为 20min 左右。 连续放电率高，自放电率低 动力电池连续 1h 的放电率应达到额定容量的 70%左右。自放电率低可以使动 力电池长期存放。 不需要复杂的运行环境 动力电池能够在常温下正常稳定的工作，不受环境温度影响，不需特殊加热。 安全可靠 动力电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏而腐蚀接线柱和外壳。不会引起自 燃或燃烧，在发生碰撞事故时，不会对乘员造成伤害。电池组可以采用机械装置 进行整体快速更换，线路连接方便。 寿命长、免维修、制造成本低 动力电池的循环寿命不低于 1000 次，在使用寿命限定期内，不需要对其维护 和修理。 2.1.1 混合动力车用动力电池的应用与产业化现状 混合动力汽车用动力电池为大型二次电池，目前应用于混合动力汽车上的动 力电池主要有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池。 大型二次电池主要应用于混合动力汽车、电动车和航空航天电源等领域。目 前在混合动力汽车用动力电池领域，产业化规模已经很大，主要动力电池生产厂 商情况如下1416： 美国 为了满足全球环保和节能要求，美国很早就投入到新能源汽车及其相配套的 电池研究开发中。 1998 年 gm-ovonic 公司和能源部联合研发的 mh-ni 电池新能 源汽车，一次性充电续驶里程可达到 160km。gm 公司开发的燃料电池电动车在 2004 年推向市场。 福特公司在 1999 年的 ranger 电动车模型车中采用 mh-ni 电池。 1 绪 论 3 欧洲 在欧洲镍氢电池和锂离子电池的研发工作主要由电池研究与发展联合会负 责。第一辆锂离子电池电动汽车于 1997 年在法国进行试验，使用的是 saft 公司 生产的电池。 日本 日本是早期投入电池及电动车研发的主要国家之一。丰田公司是研发电池和 电动车的佼佼者， 其 rav4lv 电动车所使用的 mh-ni 电池是由丰田公司与松下公 司联合开发的，此外丰田公司还开发出使用燃料电池和 mh-ni 电池的 pem-pc 电 动汽车。1998 年尼桑公司在日本销售电动车，采用的是 sony 公司生产的锂离子电 池。 中国 混合动力汽车的研发工作受到了我国各级政府的高度重视，新能源汽车已列 入国家“汽车产业振兴计划” 。 2008 年北京奥运会，已有多款混合电动轿车与公交大巴运营。2010 年的世 博会更是新能源汽车成果的“试验场” ，本届世博会可谓是新能源汽车的天下，共 有上千辆新能源汽车或穿梭于世博园区内，或作为未来汽车发展的方向在各大馆 内展出。 早在 2001 年长安汽车公司就开始探索新能源汽车的发展之路， 2002 年起投入 研发。截至到目前，长安自主品牌汽车已形成了从弱混、中混、强混、插电式到 纯电动、氢内燃机动力汽车等一系列新能源汽车产业发展格局，其混合动力汽车 使用由中炬森莱高技术有限公司、神州科技有限公司和科霸汽车动力电池有限责 任公司等提供的 mh-ni 电池。 2.1.2 mh-ni 电池的发展现状 mh-ni 电池是是继 cd-ni 电池之后的新一代高能二次电池。在众多的二次电 池中， mh-ni 电池以其特有的性能17成为当今二次动力电池的重要发展方向之一： 具有较高的比能量。高比能型 mh-ni 动力电池的比能量可达到 70 80wh/kg，高功率型 mh-ni 动力电池的比能量可达到 4050wh/kg； 无记忆效应或记忆效应小； 具有较好的过充放电性能； 循环寿命长； 电池内阻小，具有良好的快速充电和快速放电性能； 贮氢材料的来源十分广泛，具有较简单的电极制造工艺； 产生的污染少，是人们公认的绿色电池。 mh-ni 电池是一种绿色环保型电池，近年来储氢合金材料的技术得到很大进 重庆大学硕士学位论文 4 步，大大地推动了 mh-ni 电池的发展。mh-ni 电池的技术发展大致经历了三个阶 段：第一阶段大致为 20 世纪 60 年代末至 70 年代末，主要从事于 mh-ni 电池的 可行性研究工作；第二个阶段大致为 20 世纪 70 年代末至 80 年代末，主要从事于 mh-ni 电池的实用性研究；从 1984 年开始，荷兰、日本、美国都致力于研发储氢 合金电极。1988 年美国 ovonic 公司，1989 年日本松下东芝三洋等电池公司先后 开发成功 mh-ni 电池；第三阶段大致为 20 世纪 90 年代初至今，主要从事于产业 化研发。我国于 20 世纪 80 年代末成功研制出储氢合金，于 1990 年成功研制出 aa 型 mh-ni 电池。 国外已有较高的mh-ni电池的研发水平， 具有代表性的公司和产品主要有18： 松下公司的 hev 电池主要有圆柱形和内连接的方形模块两种形式。圆柱形电池的 前身为传统的 d 型电池，此类 6.5ah 的 mh-ni 电池，其质量比功率已由 1997 年 的 600w/kg 提高到 2004 年的 1350w/kg。此种电池主要跟 prius、insight 和 civic 汽车配套。 三洋电机株式会社生产的 hev 车用 mh-ni 电池均为圆柱形结构， 有 d 型与 m 型两种模块，其开发的 5.5ah 的电池组，主要为 escape 和 accord 配备。 cobasys 公司生产的 mh-ni 电池均为方形结构， 该公司研发的 mh-ni 电池的容 量为 1260ah，此种电池主要为通用汽车配套。 我国 mh-ni 电池的研发水平在“863”计划的大力支持下得到快速发展 18。 中山中炬森莱高技术有限公司主要生产 67ah 的圆柱 d 型电池，其产品主要与 混合动力轿车配套。春兰(集团)公司主要生产 8100ah 的方形不锈钢壳体电池； 湖南神舟科技股份有限公司的主要生产 880ah 的方形塑料外壳电池19。他们生 产的电池主要为混合动力轿车和混合电动大巴配套。 综上所述，日本、美国等发达国家已有较高的 mh-ni 电池的生产技术水平和 较大的产业规模。其中日本 mh-ni 电池的生产技术最高，产业化发展最快。我国 mh-ni 电池性能和制造水平与世界先进水平尚有明显差距，主要表现在相同规格 型号的电池容量低、充电尤其是大电流充电后期电池的内压和温度偏高、电池性 能的均一性差(主要指容量和内阻)、循环寿命较低等方面。 1.3 mh-ni 电池散热系统的必要性 hev 用动力电池性能的好坏直接影响着整车的性能，如果电池组过重，会增 加汽车的能耗；如果电池单体之间温度不均匀性加大，将缩短电池组的使用寿命， 导致更换电池的频率增加，从而提高了车辆使用的成本。有研究表明装载热管理 系统后，可以使整车性能提高 30%40%。 温度对 hev 用动力电池有着双重的影响20：伴随着电池温度的升高，一方面 会减少电池的内阻，另一方面将导致电池内部有害化学反应速率得到加快，这样 1 绪 论 5 会永久性地损坏电池的结构。电池的化学反应速率与温度成级数关系变化，有关 研究表明 10的温升