（光学工程专业论文）基于+cfd+的混合动力车用镍氢电池散热系统的研究.pdf

a study on cooling system of ni/mh batteires for hybird electric vehicle based on cfd a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by zhang xin supervisor: a. prof. yang yalian major: automobile engineering college of mechanical engineering of chongqing university，chongqing，china april 2008 中文摘要 i 摘 要 日益严重的能源与环境压力使传统内燃机汽车的发展面临着严峻的挑战，环 保节能汽车的开发已成为世界范围内各国政府和各大汽车公司关注和研发的焦 点。混合动力车作为全球汽车产业最为可行的技术，国家科技部已将混合动力汽 车的开发列入了863电动汽车重大专项。 电池作为 hev 的主要储能元件，对 hev 的性能有直接影响。镍氢电池以其 比能量高、比功率高、循环寿命长、环境污染小、安全性高等优点，成为 hev 车 用的首选电源。但镍氢电池性能受温度的影响较大，在高温（大于 40）时，生 热多、效率低，并且易于发生热事故。因此设计良好的散热结构，使电池组温度 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。本课题设计的散热 系统的目标为：将电池的工作温度控制在其最佳范围 2040，模块间的温差 在 2以下，从而保证电池组的使用性能。 本文首先对 hev 车用动力镍氢电池的生热进行理论分析，通过分析热负 荷的各个组成部分的生热情况，提出了解决问题的方法与途径：1）电池内部因素 的改进；2）提高电池的散热速率，配备冷却系统。 为了借助软件方法设计符合条件的电池组散热结构，需要建立电池的传热 模型。在实验及理论分析的基础上，得到单体电池的热物理参数。 本文利用计算流体力学 （cfd） 软件 fluent 对电池箱内的温度场进行多 工况的仿真，模拟比较极端的充放电工况，在现有结构基础上优化出较好的散热 结构。 为了验证设计，进行了温度场的试验分析，即通过对实车用镍氢电池组进 行多点温度测试来分析电池箱内的温度场分布。参考长安汽车整车冷却性能及 热管理环境模拟台架试验方法及评价标准（轿车版） 温度场的试验方法，对镍氢 电池进行了多工况温度测试，其结果与数值计算结果基本一致。 本课题是十五十一五863 电动汽车重大专项isg 型长安中混合动力系统 技术研究平台开发 （2006aa11a107）中的重要组成内容。 关键词关键词：混合动力车、镍氢电池、温度场、结构设计、试验分析 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract traditional engine vehicle development confronts with severe challenges，because of the increasingly serious energy and environmental pressure. the development of environmentally friendly and energy-saving cars has become the focus of research and been drawn attention by worldwide governments and major automotive companies. hybrid electric vehicle （hev） has been the most feasible choice. the state ministry of science and technology has placed the development of hybrid vehicles into the 863 special major. battery，as the main energy storage device in hev has direct affects on the performance of the hev. ni/mh battery power with high specific energy，high specific power， long cycle life， small environmental pollution， high safety and other advantages， becomes the preferred power for hev. however，ni/mh battery performance is affected more by the temperature. high temperature（more than 40）can lead to more heat up，lower efficiency and thermal accidents. so to design a best cooling structure， which distributes temperature uniformly in battery pack，plays an important role on the protection of the use performance and reliability of battery. the target of nickel-metal hydride battery cooling system for hev is that battery works in its optimum temperature range 2040 with less than 2 temperature margin，in order to keep its formal performance. this paper has analyzed in theory the heat disseminated by ni/mh， which used in hev. in according to the heat load of various components，we have proposed some ways to solve this problem. 1）to improve the internal factors of battery; 2）to improve the cooling rate of battery and install cooling system. in order to design a satisfied battery cooling structure by software，heat transmission model is needed. based on experiments and theoretical analysis，we got some necessary parameters for single battery. in this paper the calculate hydrodynamics （cfd） software fluent is used to simulate the thermal field of battery pack in various conditions，and gives the results in extreme condition. in optimizing the existing structure，we get an optimal one. to verify the design，experiment of ni/mh battery pack thermal analysis is presented. it tests many points temperature for the ni/mh battery pack for the real vehicle. the method has been put forward inthe bench test method and evaluation 重庆大学硕士学位论文 iv criteria of the environment simulation about vehicle cooling performance and thermal management of changan automobile（cars） . the result is consistent with the numerical computation. this subject is an important element of the major special of the 863 electric vehicles - as the development of technology research platform for isg changan hybrid system（2006aa11a107） ，which is in the the tenth five-year-plan，the eleventh five-year-plan. the research results have been approved preliminarily by the manufacturers. keywords：hybrid electric vehicle，ni/mh battery pack，temperature field， cooling structure design，test analysis 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪论绪论 . 1 1.1 本文研究的背景、意义本文研究的背景、意义 . 1 1.2 国内外现状国内外现状 . 2 1.2.1 混合动车的国内外现状 . 2 1.2.2 混合动力汽车车用动力蓄电池 . 4 1.2.3 电池热管理的必要性 . 7 1.2.4 镍氢电池热管理系统的现状 . 8 1.3 论文的主要内容论文的主要内容 . 11 2 hev 车车用镍氢电池的内部生热的原理分析用镍氢电池的内部生热的原理分析 . 13 2.1 hev 车用镍氢电池的生热机理车用镍氢电池的生热机理 . 13 2.1.1 镍氢电池的化学反应原理 . 13 2.1.2 镍氢电池的热行为分析 . 15 2.2 改善改善 hev 车用镍氢电池的热效应的措施车用镍氢电池的热效应的措施 . 19 2.2.1 电池内部因素的改进措施 . 20 2.2.2 热管理系统的散热冷却措施 . 20 2.3 电池热物理参数的分析电池热物理参数的分析 . 21 2.3.1 单位体积生热速率 q . 21 2.3.2 热传导系数 k . 22 2.3.3 比热容 cp . 23 2.3.4 对流换热系数 h . 23 2.4 本章小结本章小结 . 23 3 电池散热结构设计的温度场仿真电池散热结构设计的温度场仿真 . 25 3.1 温度场的数值方法温度场的数值方法 . 25 3.2 电池散热结构的数值计算模型电池散热结构的数值计算模型 . 26 3.2.1 温度场模型 . 26 3.2.2 几何模型 . 27 3.2.3 数学模型 . 29 3.2.4 网格模型 . 30 3.2.5 边界条件 . 31 重庆大学硕士学位论文 vi 3.3 原有模型的稳态仿真计算原有模型的稳态仿真计算 . 32 3.4 cfd 模型的优化模型的优化 . 34 3.4.1 二维 cfd 模型的改进一（调整挡板和电池的位置）. 34 3.4.2 二维 cfd 模型的改进二（改变倾斜角度和电池的间距） . 36 3.4.3 二维 cfd 模型的改进三（电池不动，加挡板） . 39 3.4.4 二维 cfd 模型的改进四（给电池包热阻） . 43 3. 5 本章小结本章小结 . 44 4 三维模型瞬态模拟三维模型瞬态模拟 . 45 4.1 模型的建立模型的建立 . 45 4.2 瞬态工况的确定瞬态工况的确定 . 45 4.3 瞬态工况的分析瞬态工况的分析 . 47 4.3.1 原有模型 . 47 4.3.2 改进一（调整挡板和电池的位置） . 49 4.3.3 改进二（改变倾斜角度和电池的间距） . 50 4.3.4 改进三（电池不动，加挡板） . 52 4.3.5 改进四（给电池包热阻） . 54 4.4 本章小结本章小结 . 56 5 hev 车用镍氢电池温度场试验研究车用镍氢电池温度场试验研究 . 57 5.1 试验目的试验目的 . 57 5.2 试验设备试验设备 . 57 5.2.1 底盘试验设备 . 57 5.2.2 红外热像仪 . 58 5.3 布点方案以及编号布点方案以及编号 . 60 5.4 实验步骤实验步骤 . 61 5.4.1 实验要求 . 61 5.4.2 试验过程 . 61 5.4.3 试验操作及数据记录 . 62 5.4.4 试验终止条件 . 62 5.5 计算结果与分析结果的对比计算结果与分析结果的对比 . 62 5.5.1 环境仓试验所采集数据的分析结果 . 62 5.5.2 红外热像仪拍摄结果 . 63 5.5.3 试验结果温度场的评价 . 64 5.6 本章小结本章小结 . 65 6 结论与展望结论与展望 . 67 目 录 vii 6.1 结论结论 . 67 6.2 研究展望研究展望 . 69 致致 谢谢 . 71 参考文献参考文献 . 73 附附 录录： a. 作者在攻读学位期间发表的论文目作者在攻读学位期间发表的论文目录录 . 79 b. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录作者在攻读学位期间取得的科研成果目录 . 79 c. 作者在攻读学位期间参与的科研项目作者在攻读学位期间参与的科研项目 . 79 重庆大学硕士学位论文 viii 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 本文研究的背景、意义 由于能源与环境的压力使得传统内燃机汽车的发展面临着前所未有的挑战， 各国政府、汽车公司、科研机构纷纷投入人力物力开发内燃机汽车的替代能源和 动力，力图开发出新一代的清洁节能型汽车。替代燃料汽车、纯电动汽车、混合 动力汽车和燃料电池汽车等清洁汽车都得到了关注和开发研究。然而，替代燃料 汽车存在整车动力性能不理想、燃料的供给受到地域限制等问题，推广应用受到 限制；纯电动汽车虽然在运行过程中无污染，但是在制造、使用、回收全生命周 期过程中存在污染，受到电池技术的限制，还存在续驶里程短、整车动力性不佳、 充电时间长、基础设施建设不完善等问题，难以实现大批量推广和应用；燃料电 池汽车以氢作为燃料，能够实现超低排放，但也存在价格昂贵、制氢、贮氢困难 等问题，使其应用可行性较低。因此，兼顾了传统汽车和纯电动汽车优点的混合 动力汽车（hybrid electric vehicle，简称 hev）成为了世界各大汽车公司和研究机 构研制的热点。 动力电池作为 hev 的主要储能元件，是 hev 的关键部件。目前世界各国已 开发出铅酸、镍镉、镍氢、锂离子（聚合物锂离子）和燃料电池等多种化学电源。 其中镍氢电池以其高比能量、高比功率、长寿命、无污染等综合优势成为 hev 动 力电池的优选。 动力电池的成本、性能、寿命在很大程度上决定了 hev 的成本和可靠性，所 以任何影响到蓄电池工程应用性能的参数都需要优化。其中电池的温度和温度场 的均匀性对蓄电池的性能和寿命有很大的影响。随着温度升高，动力电池放电容 量降低，充电效率下降，自放电加大，电池衰减加速。并且各单体电池温度的差 异会造成电池组各单体电池荷电状态显著不一致，影响电池使用性能与可靠性。 现在动力电池面临的主要问题有：1）充放电时产生的热如何及时散出；2） 模块内部单体之间温度如何分布；3）在寒冷的环境下，如何迅速将电池预热到指 定的温度范围。 本课题是十一五国家 863 电动汽车重大专项 isg 型长安中混合动力系统技 术研究平台开发 （2006aa11a107）的组成部分。主要采用计算流体动力学 cfd 方法研究镍氢动力电池散热系统的流场、温度场，分析现有设计的不合理性，在 此基础上提出优化改进方案，结合实验测试对现有方案和改进方案的有效性、合 理性进行综合评估。本课题的研究，对于提高动力电池的使用性能和可靠性具有 极其重要的意义。 重庆大学硕士学位论文 2 1.2 国内外现状 1.2.1 混合动车的国内外现状 进入 21 世纪，对可持续发展和环境提出了越来越高的要求，同时随着车用能 源日趋紧张及价格上涨，迫使汽车研究和制造行业加大了对清洁汽车的研究和开 发力度。目前，在诸多解决方案中，混合动力汽车是最具产业化价值的清洁汽车。 混合动力车（hev）采用内燃机电动机的驱动形式 1，电动机和内燃机 能够分别在最有效率的工况下提供车辆所需动力。当汽车负荷较大时，电动机加 入作为动力的补充；负荷小时，内燃机的富余功率可以给电池充电。它继承了电 动汽车低油耗、低排放的优点，同时又克服了纯电动汽车续驶里程短等缺点。如 图 1.1 所示。 发动机驱动量输出 发动机怠速时关闭 汽车减速 时间 汽车加速 发动机多余 能量存储 发动机制动 再生能量回收 辅助动力，补助 发动机动力不足 能量存储（电池） 吸收 “-” 能量 发出 “+” 图 1.1 混合动力汽车工作原理 fig.1.1 the work principle of the hybrid electric vehicle 汽车加速时，在常规发动机驱动基础上，以电动机作为辅助动力，可以提高 汽车的动力性能；在保持相同动力性的前提下，可减少发动机的后备功率，有利 于节省燃油；在下坡滑行等工况下，发动机多余能量通过发电机，转换为电能贮 存在蓄电池中；在汽车减速或制动工况，汽车的再生制动能量可以通过发电机转 换为蓄电池中的电能进行回收；在发动机长时间处于怠速工况时，混合动力系统 可以切断发动机燃油供给，进一步提高了汽车的燃油经济性，也减少了废气排放。 1997 年 12 月丰田公司率先推出了 prius 混合动力汽车，燃油经济性提高了 50%，百公里油耗为 3.57 升，co 排放减少了 50%，碳氢和氮氧化物减少了 90%， 1999 年 12 月本田推出 insight，百公里油耗为 2.86 升，达到了美国加里弗利亚州 超低排放车 ulev（ultra-low emission vehicle）的标准，连续两年位居全球省油 汽车排行榜第一位。 20002001 年日产、 丰田、 本田先后推出 tino、 estima、 crown、 1 绪 论 3 civic 混合动力汽车。20032004 年福特、通用和克莱斯勒也研制了自己的混合动 力汽车。2005 年法兰克福车展上，宝马、奥迪、通用纷纷宣布推出自己的混合动 力车。预计 2012 年全球混合动力汽车年销售将达到 100 万台。 图 1.2 各国混合动力增长预测图 fig.1.2 hev increase prediction of different countries 日本、北美、欧洲、韩国和中国在 20062010 年混合动力车增长趋势图见图 1.2。日本的混合动力车技术走在世界前列，北美次之。从图中可以明显看出，日 本的每年新增的混合动力车数量要远远大于其他国家的混合动力车数量，是北美 车辆 23 倍。欧洲混合动力车的数量居第三位，而中国混合动力车的数量在今后 五年也将有所增长。 目前，本田、丰田、奥迪、通用等外资汽车巨头已进入中国混合动力汽车市 场，国内已经进行混合动力车研究的厂商主要有一汽、上汽、东风、长安、奇瑞、 吉利和比亚迪等。一汽、东风、长安、奇瑞等汽车公司竞相开发出混合动力汽车 性能样车，节油 30%以上，排放减少 30%，轿车和客车最高车速分别超过 160km/h 和 80km/h，部分车型正在申报国家汽车产品公告。北京科凌公司开发出 4 种型号 的纯电动客车，动力性、经济性均达到国际先进水平。天津清源公司开发出 3 种 纯电动轿车车型，通过了搭载锂离子动力电池的纯电动轿车正面碰撞试验，2005 年该公司向美国出风口纯电动轿车 112 辆。 目前混合动力产业化的一些影响因素，如电机、能量存储装置、功率元件等 技术还有待突破。混合动力电动车的关键零部件技术，尤其是电池，是阻碍其进 入产业化阶段的关键因素。另外，混合动力汽车进入产业化还受到许多非技术因 素的制约：首先是混合混合动力汽车价格比传统汽车的高，维修费用偏高，其成 本过高；其次是政府的相关政策，如减免养路费、车辆购置税、或直接贴补现金 等，才能够促进混合动力汽车健康、顺利的发展；石油价格也是影响其产业化的 重庆大学硕士学位论文 4 一个重要原因。 混合动力技术是目前降低车辆能耗和改善环境污染的一个有效途径，当然只 是一个过渡阶段，而不是唯一的手段。发动机本身也有很多的节能潜力值得挖掘。 1.2.2 混合动力汽车车用动力蓄电池 动力电池一般指具有较高的容量和输出功率能力，可用作电动车辆驱动电源 的两次电池。一般情况下，混合动力汽车车用动力电池进行的是频繁、浅度的充 放电循环。在充放电过程中，电压、电流可能有较大的变化。针对这种使用特点， 混合动力系统对电池有以下特别要求： 大功率充放电能力：质量比功率和体积比功率是衡量蓄电池快速充放电能 力的指标，相对于比能量要求，混合动力汽车对比功率要求更高。 充放电效率：动力电池中能量的循环必须经充电-放电-充电的循环，高的 充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。 相对稳定性：动力电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保 持性能的相对稳定，使其在动力系统使用条件下能达到足够的充放电循环次数。 世界上各发达国家都制定了相应的发展动力电池的计划。其中，美国能源部 （doe）与电源研究所（epri）同通用、克莱斯勒和福特三大汽车公司组成先进 电池联合体（usabc）于 1991 年 10 月签订一项协定，计划在 4 年中投资 2.62 亿 美元用于动力电池的开发。usabc 同时制定出相应的电池发展目标（如表 1.1 所 示）。 表 1.1 usabc 电池目标要求 table 1.1 goal require of usabc battery 指标 usabc（中期） usabc（长期） 质量比能量/wh kg-1 80100 200 体积比能量/ wh l-1 135 300 体积比功率/ w l-1 250 600 质量比功率/ w kg-1 （在 30s 内，80%放电深度） 150200 400 寿命/年 5（600 次） 10（1000 次） 成本（美元/kwh） 150 tl1max；tl5max tl4max，与环境仓试验 得出的数据结论相符。 5.5.3 试验结果温度场的评价 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。 5 hev 车用镍氢电池温度场试验研究 65 051015202530 310 320 330 340 350 360 370 380 试 验 500w 750w 1000w 1250w 1500w 1750w 电 池 模 块 的 温 度 （k) 电 池 模 块 的 编 号 图 5.8 仿真分析结果与试验数据处理结果的评价 fig.5.8 results evaluation of simulation analysis and data treatment in the trial 如图 5.8 所示：比较了试验中平均持续发热功率下和 6 种稳态仿真工况下，24 个电池模块的温度分布情况。试验与仿真结果对比，发现发现试验和仿真的温度 分布趋势，基本一致。试验中的平均持续发热功率与仿真中发热功率为 500w 时 的仿真结果与基本吻合，仿真中使用的持续 750w 及以上的发热功率在实际中就 已经很少出现，试验验证了仿真计算的准确性和可靠性。 分析及试验结果表明：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。该散热结构进出风口 的温差较大，不能满足温度场均匀性的要求，需要改进。 改进结构的试验，由于工厂的进度和时间有限，还没有做试验。 5.6 本章小结 本章介绍了 hev 车用镍氢电池温度场试验研究。包括试验的目的、试验的设 备、试验的步骤、试验的操作以及数据记录等。参照长安汽车整车冷却性能及 热管理环境模拟台架试验方法及评价标准（轿车版）的规定，对车载镍氢电池 组进行了多点多工况温度测试，其结果与数值计算结果基本一致，验证了仿真计 算的准确性和可靠性。 由于工厂的进度和时间有限，优化结构的温度场试验还没有做。 重庆大学硕士学位论文 66 6 结论与展望 67 6 结论与展望 6.1 结论 本课题是十一五国家 863 电动汽车重大专项 isg 型长安中混合动力系统技 术研究平台开发（2006aa11a107）的组成部分。针对长安混合动力车用镍氢电 池的散热系统进行了研究，为提高电池性能的可靠性和一致性，混合动力车用镍 氢电池的散热目标为：1）将电池的工作温度控制在其最佳范围 2040；2） 模块间的温差在 2以下。本文所做的工作和取得的成果有： 对 hev 车用动力镍氢电池的生热进行理论分析。通过分析热负荷的各个 组成部分的生热情况，提出了 2 种解决问题的方法与途径：1）电池内部因素的改 进，提高单体电池的高温充电效率和降低电池组的欧姆内阻值，该方法偏向于电 池的配方和材料等内部和结构因素的改进；2）电池散热结构的设计，通过强制对 流换热带走热量，偏向于流场结构的改进；本课题主要研究的是第二种方法。 为了借助软件来设计符合条件的电池组，建立电池的传热模型，通过实验 及理论分析获得电池的物理参数，得到单体电池建模所需的物理参数包括：比热 容 c、导热系数 k、生热量 q、对流换热系数 h。为数值仿真计算提供相应的热物 性参数。 采用数值计算方法研究了电池组内的温度场、流场、压力场。运用计算流 体力学（cfd）软件 fluent 对镍氢电池箱内的温度场进行多工况的仿真计算。 由于优化模型试算的工作量比较大，先采用二维基面法稳态工况试算，为瞬态工 况的计算提出优化模型。因为镍