电动汽车用镍氢电池的水冷却设计方案

石运才，吕彩琴，张鹏程，李 博

(1. 中北大学车辆与动力技术研究所，山西 太原 030051； 2. 中北大学新能源研究所，山西 太原 030051)

电动汽车用镍氢电池的水冷却设计方案

石运才1，2，吕彩琴1，2，张鹏程1，李 博1

(1. 中北大学车辆与动力技术研究所，山西 太原 030051； 2. 中北大学新能源研究所，山西 太原 030051)

提出五环式电池组的设计方法，采用水冷的方式对电动汽车镍氢电池进行冷却。用GAMBIT软件进行网格划分，FLUENT软件进行模拟，并进行相关实验验证。电池组工作温度控制在25～40 ℃最佳范围之内，电池表面温差在3 ℃之内，表明水冷有利于改善电池工作条件、延长电池使用寿命。

电动汽车； 镍氢电池； 水冷； 工作温度

电池的性能直接影响电动汽车的性能。正确使用电池，改善电池的使用条件，延长电池的使用寿命，对电动汽车的推广具有重要的意义[1]。电池在较高温度下进行大电流放电可获得较高的容量；若电解液温度过高，不能提高容量，反而会使电池的容量和使用寿命受到很大的影响。在充放电过程中产生的热量，使电池的温度不断升高，当上升到一定值时，必须进行冷却，保证电池处于最佳工作温度20～40 ℃的范围内[2-3]。

采用风冷的方式冷却电动汽车的电池，曾取得了良好的效果[4]，但随着电池功率的增大，风冷已不能满足高功率电池的要求。这主要是因为冷却风与电池壁面的换热系数低，冷却、加热的速度较慢，电池箱内的温度均匀性难以控制，电池箱密封设计有难度，防光、防水的效果差等[5]。

本文作者计划通过设计五环式电池组模型，并采用水冷的方式对电池进行冷却，以期提高电池的冷却效果。

1 冷却模型有限元的建立

以应用较广泛的D型镍氢电池(河南产)为例，电池相关参数为：高57.85 mm、直径32.10 mm，电压1.2 V、额定容量6 Ah。

1.1 有限元模型的建立

将6只单体电池串联组成1个电池单元，五环电池组由5个电池单元(30只单体电池)串联而成，额定电压为36 V。电池单元外套有一层密封材料，与电池壁面形成环形管道，用于冷却水的流通，可直接进行热交换如，图1所示。

图1 电池单元与电池组模型Fig.1 Models of single battery and battery pack

整个冷却系统由水泵、增压器、单向阀、电池、热交换器、套管式蒸发器、磁感开关和排水管等组成，如图2所示。

图2 冷却系统结构图Fig.2 Structure diagram of cooling system

将电池组模型进行抽象化处理，形成圆环凸台式模型，然后用Gambit软件对电池组内部流场进行网格划分。该电池流体模型相对简单，为了提高网格质量[6]，对模型采用非结构化的四面体网格，网格划分后如图3所示。

图3 抽象化冷却模型Fig.3 Abstract cooling models

1.2 边界条件的设定

导热系数对软件模拟而言是必不可少的参数，但由于结构的复杂性，难于直接测量。

MH/Ni电池半径方向的导热系数λr，可由式(1)采用加权运算得到λi[6]。

λi=λm(1-ε)+λfε

(1)

(2)

式(1)、(2)中：λm、λf分别代表固体物质、电解质的导热系数；ε代表孔隙率；δi代表不同结构体积所占比例；λi代表不同结构的导热系数；i=n(负极板)、p(正极板)和s(隔膜)。

将表1中的数据代入式(2)，得到λr=1.11 W/mK。

表1 各部分结构的导热系数及相关参数[7]

表面导热系数确定之后，然后设定电池表面最高平均温度为56 ℃，冷却液温度为25 ℃，再设定电池组其他条件，如表2所示。

表2 电池组冷却系统初始条件的设定

2 模拟仿真实验

在镍氢电池组放电过程中达到最高平均温度时，进行冷却模拟仿真，分析电池组表面温度及冷却液温度。

2.1 电池组温度场的分析

电池组的计算域温度分布云图见图4。

图4 电池组的计算域温度分布云图Fig.4 Computational domain temperature of battery

从图4可知，入口处电池表面温度达到26 ℃左右，出口温度在28 ℃左右，且Y轴方向出口前一段电池组，表面温度最高在28 ℃以上，温度变化较大。电池单元之间温度梯度变化大致相当，在外围的电池单元，温度梯度变化较平缓。电池出口的冷却效果相对于进口位置而言较差，通过稳定流动能量方程可知，原因是在入口处的冷却液与电池组表面最先进行热交换，使得冷却液温度升高，在出口处时，冷却液已升到最高温度；电池组除了水冷的方式外，一部分热量通过管道壁扩散到大气中去，外围电池单元散热性较内部电池单元效率高；出口处的冷却效果不是最差，原因是出口处的压强增大，流速增加，加快了热传递，通过热传导将电池组表面的温度带走。

电池表面的温度总体变化曲线见图5。

图5 电池组整体平均温度变化曲线Fig.5 Average temperature change curve of battery pack

2.2 冷却液温度场分析

进出口水流温度云图见图6。

图6 进出口水流温度云图Fig.6 Inlet and outlet water temperature cloud chart

从图6可知，进口温度为初始温度25 ℃，出口温度达到27 ℃左右。由热力学第一定律及上述分析可知，通过热传递，电池组通过电池壁以热传递的方式与冷却水进行热交换，冷却液在冷却过程中温度逐渐增加。

2.3 仿真计算结果与实验结果的对比

根据电池组模型，搭建检测温度的实验平台，用P601724水泵增压器(广东产)控制水流速度为1.5 m/s，用DS18B20温度传感器(深圳产)检测电池表面温度，电池组以1.5C恒流放电，得到电池表面温度随时间变化的部分实验数据，并进行曲线拟合[8]，结果见图7。

图7 电池组表面温度变化曲线Fig.7 Surface temperature change curve of battery pack

从图7可知，电池组表面温度随着时间的推移，最终稳定在26 ℃左右。

实验数据与仿真结果的对比见表3。

表3 实验数据与仿真结果对比

从表3可知，仿真结果与实验数据相差不大，可以认为该MH/Ni电池水冷却的设计方案实际可行。

3 结论

本文作者采用水冷的方式对D型MH/Ni电池进行冷却分析，得出如下结论：

设计的五环式电池组设计能够实现MH/Ni电池水冷的良好效果；可通过水冷将MH/Ni电池表面工作温度控制在最佳范围25～40 ℃之内，改善电池的工作性能在水冷的条件下，MH/Ni电池表面温差能够控制在3 ℃之内，保证电池各部位工作性能的一致。

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A scheme of water-cooling of nickel metal hydride battery on electric vehicle

SHI Yun-cai1，2，LV Cai-qin1，2，ZHANG Peng-cheng1，LI Bo1

(1.VehiclesandPowerTechnologyResearchInstitute，NorthUniversityofChina，Taiyuan，Shanxi030051，China； 2.NewEnergyResearchInstitute，NorthUniversityofChina，Taiyuan，Shanxi030051，China)

The design method of the five-ring type battery pack was put forward，the method of the electric vehicle Ni-MH battery was cooled by water-cooling. GAMBIT software was used to mesh，FLUENT software was used to simulated，and experiments were done to verify. The temperature of the battery pack was controlled within the optimum range，the temperature difference on the surface of the battery was controlled within 3 ℃，which indicated that the method of water-cooling could improve the working condition of the battery and prolong their service life.

electric vehicle； Ni/MH battery； water-cooling； working temperature

石运才(1990-)，男，山东人，中北大学车辆与动力技术研究所硕士生，研究方向：电动汽车电控与能量管理，本文联系人；

TM912.2

A

1001-1579(2016)01-0035-03

2015-09-17

吕彩琴(1967-)，女，山西人，中北大学车辆与动力技术研究所教授，研究方向：发动机结构设计、疲劳设计，发动机测控、车辆电控等；

张鹏程(1990-)，男，河南人，中北大学车辆与动力技术研究所硕士生，研究方向：新能源汽车；

李 博(1990-)，男，山西人，中北大学车辆与动力技术研究所硕士生，研究方向：动力机械测挖技术。