基于cfd的鎳氫電池散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于cfd的鎳氫電池散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

熱設(shè)計(jì)及熱性能作為混合動(dòng)力車輛（hv）的能量平衡裝置，電池對(duì)整個(gè)車輛的性能有著重要影響。目前，hv使用的電池主要是能量高、功率高、壽命長(zhǎng)、污染少等綜合優(yōu)勢(shì)。由于HEV車用鎳氫動(dòng)力電池其充放電過程是典型的化學(xué)反應(yīng)過程,如不及時(shí)散熱,其伴生的反應(yīng)熱很容易引起電池組內(nèi)的熱量累積,如果散熱不均勻,更會(huì)造成電池組內(nèi)相當(dāng)大的溫差。電池組溫度場(chǎng)不均勻,將造成各電池模塊、各單體電池性能的不均衡,最終嚴(yán)重影響電池的使用性能和可靠性。電池散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于保障鎳氫電池的長(zhǎng)期正常使用是十分必要的。采用CFD模型來預(yù)測(cè)鎳氫電池散熱結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)狀態(tài)和溫度場(chǎng),并結(jié)合試驗(yàn),驗(yàn)證鎳氫電池散熱結(jié)構(gòu)的性能,對(duì)于提高HEV鎳氫動(dòng)力電池組散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)具有重要的意義。1鎳氫電池的生熱量鎳氫電池由鎳氫化合物正電極、儲(chǔ)氫合金負(fù)電極以及堿性電解液組成。電池內(nèi)部存在著的反應(yīng)為式中M為儲(chǔ)氫合金,MH為吸附了氫原子的儲(chǔ)氫合金。電池長(zhǎng)期過熱將會(huì)降低電池的容量和充放電效率,導(dǎo)致電池的自放電率增大,隔膜和密封件等的性能惡化,從而加速鎳電極和儲(chǔ)氫電極的惡化,嚴(yán)重情況下可能會(huì)出現(xiàn)熱失控。因此必須采取措施來最大限度地減少電池在使用過程中的熱量累積,通過仿真優(yōu)化結(jié)合試驗(yàn),提高對(duì)電池組的熱量控制技術(shù)從而保證電池組使用的可靠性和穩(wěn)定性。熱量的計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)建模仿真很重要。美國再生能源實(shí)驗(yàn)室通過儀器測(cè)得各種充放電條件下的生熱量。結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn),可以從電化學(xué)的角度計(jì)算生熱量,也可通過在電池內(nèi)部布置熱電偶測(cè)得內(nèi)部溫度,從溫度的角度計(jì)算。另外,還有結(jié)合等價(jià)電路和熱力學(xué)的方法,結(jié)合電化學(xué)能和熱力學(xué)的方法確定生熱量。文獻(xiàn)利用鎳氫電池電化學(xué)反應(yīng)原理分析了鎳氫電池的生熱量。根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)中電子遷移個(gè)數(shù)與反應(yīng)生熱量之間的關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)。作者采用了最后一種應(yīng)用比較廣泛的算法。鎳氫電池的生熱因素主要有:電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、過充電副反應(yīng)生熱、內(nèi)阻焦耳熱。電池的充電過程分為2個(gè)階段。在沒有發(fā)生充電副反應(yīng)之前為第1階段,生熱量主要來自電化學(xué)反應(yīng)熱、電化學(xué)極化熱、電池內(nèi)阻焦耳熱,即Qcharge1=0.547Ic+3.6I2cRt(2)式中Qcharge1為電池在沒有發(fā)生充電副反應(yīng)階段的生熱量,kJ/h;Ic為電池的充電電流,A;Rt為電池內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的和,Ω。在發(fā)生過充電副反應(yīng)之后為第2階段,生熱量主要來自電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、過充電副反應(yīng)生熱、內(nèi)阻焦耳熱。其中大部分的生熱量來自于過充電副反應(yīng)生熱。充電末期和過充電時(shí),過充電副反應(yīng)就開始發(fā)生,其生熱量為Qcharge2=5.334Ic+3.6I2cRt(3)電池放電過程中的生熱量主要來自電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、內(nèi)阻焦耳熱。因鎳氫電池放電時(shí)化學(xué)反應(yīng)是吸熱反應(yīng),能吸收一部分熱量,所以生熱問題不是很嚴(yán)重,生熱量為Qdischarge=-0.547Id+3.6I2dRt(4)式中Qdischarge為電池在放電過程中的生熱量,kJ/h;Id為電池的放電電流,A。鎳氫電池在充放電過程中的充放電行為可以用圖1直觀地表示出來。電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱量為Qbat=Qcharge1+Qcharge2+Qdischarge(5)式中Qbat為電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱量,kJ/h。2熱交換特性分析鎳氫電池散熱結(jié)構(gòu)的冷卻方式有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻。文中涉及的蓄電池散熱結(jié)構(gòu)采用空氣冷卻方式。通過抽風(fēng)機(jī)將冷卻空氣吸入鎳氫電池箱內(nèi),進(jìn)入風(fēng)道后,各個(gè)電池、擋風(fēng)板起到分流作用,氣流較均勻流過電池表面,對(duì)電池起散熱作用。換熱后的熱空氣通過抽風(fēng)機(jī)抽出電池外。電池的換熱模型可以簡(jiǎn)化如圖2所示。所建熱量模型將電池簡(jiǎn)化為電池內(nèi)部和電池殼體兩個(gè)部分。電池內(nèi)部所有的組成部分,例如活性材料、陰極和陽極、電流采集器和隔板簡(jiǎn)化為一個(gè)整體并且具有形同的特性。熱量從電池內(nèi)部傳導(dǎo)至電池外殼,再由外殼外表面和外部流動(dòng)冷卻空氣進(jìn)行熱交換,達(dá)到散熱的目的。基于上述模型,可得蓄電池溫度場(chǎng)仿真計(jì)算公式為Qcase=(Tbat-Tair)/Reff(6)Τair=Τenv+0.5Qcase˙mCair(7)Reff=1hA+1kA(8)h={hforced=a(˙m5ρS)b,Τbat＞ΤfanΟΝh(huán)natural=4,Τbat＞ΤfanΟFF(9)式(6)～式(9)中Qcase為從電池外殼散熱到冷卻空氣中的熱量,kJ/h;Tbat為電池溫度,K;Tair為冷卻空氣溫度,K;Reff為有效熱阻,Ω;h為換熱系數(shù),分為風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)hforced和風(fēng)扇關(guān)閉時(shí)的自然對(duì)流換熱系數(shù)hnatural,W/(m2·K);A為空氣流過模塊間縫隙的截面積,m2;k為電池外殼導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);a,b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);ρ為空氣密度,kg/m3;S為模塊與冷卻空氣的熱交換面積,m2;Tenv為環(huán)境溫度,K;˙m為空氣質(zhì)量流量,kg/s;Cair為空氣比熱,J/(kg·K);TfanON為風(fēng)扇開啟時(shí)的溫度,K;TfanOFF為風(fēng)扇關(guān)閉時(shí)的溫度,K。通常情況下,進(jìn)口處冷卻空氣溫度為環(huán)境溫度。若將式(5)所得電池?zé)崃縌bat代入下式,即可得某一時(shí)刻電池溫度,即Τbat=∫t0Qbat-QcasembatCbatdt(10)式中mbat為電池的質(zhì)量,kg;Cbat為內(nèi)部電池平均比熱,J/(kg·K)。3杏仁電池加熱分析3.1電池模型的建立基于前期的先驗(yàn)知識(shí)、樣件和部分試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行了鎳氫電池組散熱系統(tǒng)三維模型的設(shè)計(jì),并完成了三維網(wǎng)格模型的創(chuàng)建,如圖3所示。由于模型的對(duì)稱性,只取1/4模型作為計(jì)算模型,這樣既精簡(jiǎn)了結(jié)構(gòu),使計(jì)算量大大減小,又不影響整個(gè)模型的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析結(jié)果。如圖3(b)所示,左邊為進(jìn)風(fēng)口,擋風(fēng)板在進(jìn)風(fēng)口附近;右邊為出風(fēng)口,出風(fēng)口風(fēng)扇抽風(fēng);電池組分上下兩層分布,每層12個(gè)模塊,前面6個(gè)上下正對(duì),后面6個(gè)上下錯(cuò)位排列。電池內(nèi)部楔形送風(fēng),保證了上下風(fēng)壓。根據(jù)前期的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),因?yàn)殡姵亻L(zhǎng)度較長(zhǎng),故流體流程較長(zhǎng),后面錯(cuò)排和楔形送風(fēng)有利于前后冷卻均勻。3.2能量平衡方程在電池溫度場(chǎng)分析中,除了采用描述流動(dòng)特性的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和k-ε方程外,還考慮了能量平衡方程。這樣,在三維笛卡爾坐標(biāo)系中,以張量形式表示的湍流對(duì)流換熱控制微分方程如下。(1)連續(xù)方程為?ρui/?xi=0(11)(2)變量方程為??xj(ρuiuj)=??xj[μeff(?ui?xj+?uj?xi)-23μeff?uk?xk]-?p?xi(12)(3)東德+ujxj[ujxj]1??xj(ρcjΤ)=??xj[αΤ(μeff?Τ?xj)]+?uj?xj[μeff(?ui?xj+?uj?xi)-23?uk?xk](13)(4)崔里的動(dòng)能方程為??xi(ρuik)=??xj[(μ+μtσk)?k?xj]+Gk+Gb-ρε-YΜ+Sk(14)(5)集料密度及湍流動(dòng)能??xi(ρuiε)=??xj[(μ+μtσε)?ε?xj]+C1εεk(Gk+C3εGb)-C2ερε2k+Sε(15)式(11)～式(15)中ρ為流體的密度;ui、uj、uk為流體在坐標(biāo)系中的i,j,k方向上的速度分量;μeff為有效導(dǎo)熱系數(shù);xi、xj、xk為在坐標(biāo)系中的i、j、k方向上的分量;cj為比熱容;μ為動(dòng)力黏度;μt為湍動(dòng)黏度;Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;YM為由于在可壓縮湍流中,過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng);C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);σk為湍動(dòng)能k方程對(duì)應(yīng)的湍流Prandtl數(shù);σε為耗散率ε方程對(duì)應(yīng)的湍流Prandtl數(shù);Sk和Sε為用戶定義的源項(xiàng),按實(shí)際問題而定。3.3邊境條件3.3.1熱設(shè)計(jì)及熱功率的施加電池散熱結(jié)構(gòu)采用出口抽風(fēng)的冷卻方式。參照已有樣機(jī)風(fēng)機(jī)性能參數(shù),風(fēng)機(jī)的壓差為230Pa。電池固體區(qū)域的材料為低碳鋼,表面鍍鎳。為考察比較極限的情況,取進(jìn)口為40℃的冷卻空氣,因?yàn)殡姵卦诔浞烹娺^程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱。電池組的發(fā)熱功率參照式(3)～式(5)的計(jì)算方法及具體試驗(yàn)結(jié)果,取極限工況發(fā)熱功率為500～1750W,施加于電池的內(nèi)壁面。在Fluent軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算,由于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型能提供流動(dòng)的真實(shí)情況,尤其適合于計(jì)算通道中的湍流流動(dòng),計(jì)算時(shí)采用該模型。3.3.2瞬態(tài)分析的極限工況瞬態(tài)邊界條件與穩(wěn)態(tài)計(jì)算的邊界條件基本一致,不同的是施加在電池上的產(chǎn)熱功率是瞬態(tài)變化的,不是恒定的。在進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí),采用了極端條件下可靠性試驗(yàn)采用的極限工況循環(huán),其中一個(gè)循環(huán)的充放電如圖4所示。由上述電池?zé)崃坑?jì)算式(2)～式(5),可以得到電池在充放電過程中的產(chǎn)熱功率(J/s)見圖5。3.4模擬的計(jì)算和分析3.4.1熱功率對(duì)電池穩(wěn)態(tài)工況溫度變化的影響1～12號(hào)電池為電池的下層,13～24號(hào)電池為電池的上層。1號(hào)電池對(duì)應(yīng)進(jìn)風(fēng)口位置以及擋板位置,13號(hào)電池對(duì)應(yīng)電池的出風(fēng)口,順序依次排序。電池組穩(wěn)態(tài)工況溫度變化情況如圖6所示。從圖6可見,原有電池的溫度存在較大的溫差,隨著發(fā)熱功率加大,電池的整體溫升較大,電池組內(nèi)的溫度不均勻性有所擴(kuò)大。通過與試驗(yàn)對(duì)比,發(fā)熱功率為500W時(shí)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,持續(xù)750W的發(fā)熱功率在實(shí)際使用中就已經(jīng)很少出現(xiàn)。分析及試驗(yàn)結(jié)果表明:該冷卻結(jié)構(gòu)的電池進(jìn)出風(fēng)口的溫差較大,不能滿足溫度場(chǎng)均勻性的要求,需要改進(jìn)。3.4.2電池充放電過程中溫度不均勻性的變化將實(shí)車工況轉(zhuǎn)換成電池的實(shí)際發(fā)熱工況,使用UDF函數(shù)將瞬態(tài)發(fā)熱工況編程,從Fluent中激活UDF函數(shù)將瞬態(tài)發(fā)熱工況加載到電解液部分。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。通過計(jì)算結(jié)果可知,電池在充放電時(shí),隨著時(shí)間的增加,電池間溫差逐步增大。120A放電電流很大,電池吸收的熱量反應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電池放出的熱量,在該階段電池放出大量的熱,放電后電池組的溫度不均勻性有所增大;40A充電的階段,電池也放出大量的熱,但小于120A放電過程產(chǎn)生的熱量,充電后溫度不均勻性有所增大。最高溫度和平均溫度溫差為7.8059℃;最低溫度和平均溫度溫差為9.3639℃。原有模型的溫度不均勻情況較差,需要進(jìn)一步優(yōu)化模型。3.5瞬態(tài)溫度仿真通過調(diào)整擋板及電池的位置、改變傾斜角度和電池的間距、施加擋風(fēng)板、包覆保溫層的方法可以使氣流分布和電池組溫度場(chǎng)均勻性得到改善。通過比較得到較優(yōu)化的方案為改進(jìn)結(jié)構(gòu),同時(shí)給出電池包熱阻的方案。電池組包覆保溫層優(yōu)化模型如圖8所示。如圖8(b)所示,左邊為進(jìn)風(fēng)口,右邊為出風(fēng)口。出風(fēng)口風(fēng)扇抽風(fēng)。通過調(diào)整電池的位置,使得電池排列方向和箱體面成一定夾角,通道面積沿流動(dòng)方向逐漸減小。楔形的進(jìn)排氣通道使不同模塊間的縫隙上下壓力差基本保持一致,增加了下游的風(fēng)壓,又能使氣流盡可能均勻分配。在此改進(jìn)的結(jié)構(gòu)上,為了保證電池表面溫度的均勻性,在溫度低散熱效果好的電池表面增加熱阻,使電池和空氣減少換熱,提高局部電池溫度,從而使整個(gè)電池組溫度更加均勻。穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖9所示,可見優(yōu)化后的電池箱內(nèi)的溫度存在較小溫差變化。通過試驗(yàn)和仿真的對(duì)比表明,瞬態(tài)計(jì)算與實(shí)際結(jié)果有較好的對(duì)應(yīng)性,該方案的瞬態(tài)溫度計(jì)算結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出,優(yōu)化模型較原有模型電池組內(nèi)溫度不均勻性有顯著的改善。滿足了電池實(shí)際使用溫度場(chǎng)均勻性的應(yīng)用要求。表1、表2為電池組原有和優(yōu)化仿真模型在一個(gè)瞬態(tài)循環(huán)工況的最后1s的電池模塊的溫度值。從表1、表2可以看出,經(jīng)過大電流的充放電,原有模型的最后溫差達(dá)到17.2℃,相同工況下,優(yōu)化模型的最后溫差達(dá)到2.83℃。通過比較可以看出優(yōu)化模型大大改善了電池組