混合动力车用镍氢电池组散热系统CFD仿真与结构设计

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: ①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; ②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; ③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; ④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。