汽车工程２００９年（第３１卷）第３期
式（６）一式（９）中Ｑ…为从电池外壳散热到冷却空气中的热量，ｋＪ／ｈ；瓦。。为电池温度，Ｋ；ｔｉ，为冷却空气温度，Ｋ；Ｒ。盯为有效热阻，Ｑ；＾为换热系数，分为风扇运转时的强制对流换热系数ｈ硒。。。和风扇关闭时的自然对流换热系数ｈ．ａｔｏｒｄ，Ｗ／（ｍ２?Ｋ）；Ａ为空气流过模块间缝隙的截面积，ｍ２；ｋ为电池外壳导热系数，ｗ／（ｍ?Ｋ）；口，ｂ为经验系数；ｐ为空气密度，ｋｇ／ｍ３；ｓ为模块与冷却空气的热交换面积，ｍ２；见。，为环境温度，Ｋ；ｒｈ为空气质量流量，ｋｓ／ｓ；Ｃ。ｉ，为空气比热，Ｊ／（ｋｇ?Ｋ）；咒。ｏ。为风扇开启时的温度，Ｋ；气。ｏ阡为风扇关闭时的温度，Ｋ。
通常情况下，进口处冷却空气温度为环境温度。
若将式（５）所得电池热量Ｑ。。代入下式，即可得
式中ｍⅦ为电池的质量，ｋｇ；Ｃｈ。为内部电池平均比热，Ｊ／（ｋｇ?Ｋ）。
３镍氢电池散热系统分析
３．１系统三维网格模型
基于前期的先验知识、样件和部分试验结果，进行了镍氢电池组散热系统三维模型的设计，并完成了三维网格模型的创建，如图３所示。
图３镍氢电池组散热系统
由于模型的对称性，只取１／４模型作为计算模型，这样既精简了结构，使计算量大大减小，又不影响整个模型的流场和温度场的分析结果。如图３（ｂ）所示，左边为进风口，挡风板在进风口附近；右边为出风口，出风口风扇抽风；电池组分上下两层分布，每层１２个模块，前面６个上下正对，后面６个上下错位排列。电池内部楔形送风，保证了上下风压。根据前期的经验知识，因为电池长度较长，故流体流程较长，后面错排和楔形送风有利于前后冷却均匀。３．２ＣＦＤ流体数学模型
在电池温度场分析中，除了采用描述流动特性的连续性方程、动量方程和ｋ－６方程外，还考虑了能量平衡方程。这样，在三维笛卡尔坐标系中，以张量形式表示的湍流对流换热控制微分方程哺１如下。
（１）连续方程为
印“ｉ／Ｏｘｆ＝０（１１）
（２）动量方程为
去ｃ眺叶，＝毒卜讲（詈＋券）一争耐豢】一老
（１２）（３）能量方程为
（４）湍动能方程为
蠹（触后）＝未【（ｐ＋丝ｏ＇ｋ１］堕ａｘｉ］＋Ｇｔ＋Ｇａ一舻一‰＋．ｓｔ
（１４）（５）湍动能耗散率方程为
毒帆占）专№告鹰】＋ｌ墨詈（Ｇ＋ＱＧ）一邸詈２蝇
（１５）式（１１）一式（１５）中ｐ为流体的密度；Ｍ。、ｕ，、“。为流体在坐标系中的ｉ，Ｊ，ｋ方向上的速度分量；弘。仃为有效导热系数；菇ｉ、ｚｉ、石。为在坐标系中的ｉ，ｊ、ｋ方向上的分量；ｃｆ为比热容；肛为动力黏度；肌为湍动黏度；Ｇ。为由层流速度梯度而产生的湍流动能；Ｇ。为由浮力产生的湍流动能；ｋ为由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动；Ｃ。¨Ｃ：¨Ｃ，。为经验常数；叽为湍动能ｋ方程对应的湍流Ｐｒａｎｄｔｌ数；ｏｒ。为耗散率ｓ方程对应的湍流Ｐｒａｎｄｔｌ数；Ｓ。和ｓ。为用户定义的源项，按实际问题而定。
３．３边界条件
３．３．１稳态计算的边界条件
电池散热结构采用出口抽风的冷却方式。参照已有样机风机性能参数，风机的压差为２３０Ｐａ。
电池固体区域的材料为低碳钢，表面镀镍。为考察比较极限的情况，取进口为４０℃的冷却空气，因为电池在充放电过程中会产生大量的热。电池组的发热功率参照式（３）一式（５）的计算方法及具体试验结果，取极限工况发热功率为５００～１７５０Ｗ，施
朝㈤２—３一毒、一魄＋讹一魄
№
毫、一魄
＋
塑魄
鼬
嘶
旦哆
＝
力
锄
旦吨
ｍ
汽车工程２００９年（第３１卷）第３期
３．５散热结构模型的优化
通过调整挡板及电池的位置、改变倾斜角度和
电池的间距、施加挡风板、包覆保温层的方法可以使
气流分布和电池组温度场均匀性得到改善。通过比
较得到较优化的方案为改进结构，同时给出电池包
热阻的方案。
电池组包覆保温层优化模型如图８所示。
图８电池组包覆保温层优化模型
如图８（ｂ）所示，左边为进风口，右边为出风口。出风口风扇抽风。通过调整电池的位置，使得电池排列方向和箱体面成一定夹角，通道面积沿流动方向逐渐减小。楔形的进排气通道使不同模块间的缝隙上下压力差基本保持一致，增加了下游的风压，又能使气流尽可能均匀分配。在此改进的结构上，为了保证电池表面温度的均匀性，在温度低散热效果好的电池表面增加热阻，使电池和空气减少换热，提高局部电池温度，从而使整个电池组温度更加均匀．。
稳态计算结果如图９所示，可见优化后的电池箱内的温度存在较小温差变化。
螽
霎
卷
瓣
蚕
图９电池组优化模型稳态工况温度变化情况
通过试验和仿真的对比表明，瞬态计算与实际结果有较好的对应性，该方案的瞬态温度计算结果如图ｌＯ所示。
图１０电池组优化模型瞬态工况温度变化情况
从图１０可以看出，优化模型较原有模型电池组内温度不均匀性有显著的改善。满足了电池实际使用温度场均匀性的应用要求。
表１、表２为电池组原有和优化仿真模型在一个瞬态循环工况的最后１ｓ的电池模块的温度值。
表１原有模型瞬态工况最后的温度值Ｋ
表２优化模型瞬态工况最后的温度值Ｋ
从表１、表２可以看出，经过大电流的充放电，原有模型的最后温差达到１７．２。Ｃ，相同工况下，优化模型的最后温差达到２．８３℃。通过比较可以看出优化模型大大改善了电池组温度场分布不均匀的问题，达到了较好的效果。
４结论
（１）分析镍氢电池的产热模型和热交换模型，建立三维网格模型和流动方程，施加了相应的边界条件，完成了电池温度场及均匀性的ＣＡＥ分析。
（２）结合ＨＥ＇Ｖ用镍氢电池的使用要求，给出了镍氢电池温度场计算的稳态和瞬态工况，仿真和试验结果表明，工况比较合理，能够用于极端工况下电池温度场的仿真分析。
（３）通过仿真分析表明，原有系统温度均匀性较差，而采用改进结构同时包热阻的方案，显著改善了电池组的温度场均匀性，满足了实际使用的需要。
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基于CFD的混合动力车用镍氢电池散热系统研究
作者：杨亚联， 张昕， 李隆键， 胡明辉， Yan Yalian， Zhang Xin， Li Longjian， Hu Minghui
作者单位：重庆大学,机械传动国家重点实验室,重庆,400044
刊名：
汽车工程
英文刊名：AUTOMOTIVE ENGINEERING
年，卷(期)：2009，31(3)
被引用次数：2次
参考文献(8条)
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2.陈明华.包海涛基于FLUENT电动汽车镍氢电池风冷流场的研究[期刊论文]-淮阴工学院学报 2009(5)
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下载时间：2010年11月4日