48V啟停用鎳氫電池包設(shè)計(jì)與分析

謝世坤，郭軍團(tuán)，徐國(guó)昌，張庭芳

48V啟停用鎳氫電池包設(shè)計(jì)與分析

*謝世坤1,3，*郭軍團(tuán)2，徐國(guó)昌2，張庭芳4

（1.井岡山大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西，吉安 343009；2.湖南科霸汽車動(dòng)力電池有限責(zé)任公司，湖南，長(zhǎng)沙 410205；3. 吉安市輕合金材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西，吉安 343009；4.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西，南昌 330001）

鎳氫電池具有良好的大倍率放電性能，廣泛應(yīng)用于乘用車的高壓混動(dòng)系統(tǒng)中，但在低壓輕混系統(tǒng)中的應(yīng)用研究較少。本研究以某款車型用的48V啟停用鎳氫電池包為研究對(duì)象，該電池包以相變材料為傳熱載體，為分析此方法的可行性，通過ANSYS-FLUENT軟件，模擬分析不同工況下的電池溫升情況，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，為鎳氫電池在啟停領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)積累數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)。

鎳氫電池；電池包；仿真分析；啟停；相變材料

0 引言

近年來氣候的變化日益受到關(guān)注，人們的環(huán)保意識(shí)也在逐步提高，越來越多的人開始呼吁降低汽車尾氣的排放[1]。國(guó)內(nèi)各整車和零部件供應(yīng)商都在依托先進(jìn)的技術(shù)，尋求解決節(jié)能方案。在目前推廣的方案中，48V低混電池系統(tǒng)被認(rèn)為是性價(jià)比較高、技術(shù)較成熟、安全性較好的有效解決方案，受到行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注[2]。

48V電池系統(tǒng)主要用于輕混的怠速啟停，在功能上均需提供啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的大電流，且要提供發(fā)動(dòng)機(jī)停止后的其他車內(nèi)用電，不僅需要具備瞬間大倍率放電和大的放電深度的性能[1]，且電池要保證能在不同溫度條件下正常使用。鎳氫電池具備高倍率、寬溫域、長(zhǎng)壽命的特性，適合輕混工況。

本研究主要針對(duì)輕混啟停瞬間的不同工況進(jìn)行分析、判斷，研究其電池包發(fā)熱情況，為實(shí)際裝車驗(yàn)證提供判定依據(jù)。

1 48V啟停電池包設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)方案

48V啟停電池包主要作用是給車輛啟動(dòng)的瞬間提供動(dòng)力，代替原有鉛酸電池，并能夠回收車輛的冗余能量，因此對(duì)電池包的體積和功率密度要求極高。本研究所涉及的某款車型用鎳氫電池包，將電池模組及控制單元進(jìn)行高度集成。其主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由后蓋板、外殼、電池模組、控制系統(tǒng)、前蓋板以及固定螺絲等輔件組成，考慮到散熱等情況，外殼采用鋁合金材質(zhì)，且內(nèi)部有導(dǎo)熱介質(zhì)（相變材料），產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 電池模組設(shè)計(jì)方案

電池模組的設(shè)計(jì)，一方面需要考慮電池的固定和連接，另一方面還需要考慮電池的散熱以及連接處的載流能力。按照項(xiàng)目輸入條件，初步設(shè)計(jì)的電池模組由固定支架，相變散熱支架，連接片等組成，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 電池模組爆炸圖

2 電池包仿真分析

2.1 仿真工況

依據(jù)實(shí)際可能使用到的充電和放電工況，按照表1所示的工況進(jìn)行仿真，環(huán)境溫度25 ℃，90% DOD，25C倍率。

表1 模擬工況表

2.2 求解方法

使用ANSYS-FLUENT的瞬態(tài)仿真分析方法，并采用外部自然冷卻對(duì)流換熱的方式。

2.3 求解理論

流體流動(dòng)要受到物理守恒定律的制約，守恒方程包括：質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等三個(gè)方程?？刂品匠淌菍?duì)這些定律的數(shù)學(xué)描述。

1）質(zhì)量守恒方程

任何形式的流動(dòng)問題都應(yīng)當(dāng)滿足質(zhì)量守恒定律。該定律可描述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過流體微元中增加的質(zhì)量，等于在同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。依照此定律，可以得出質(zhì)量守恒方程[3]。

式中：

2）動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程也是任何流體必須遵循的基本守恒定律。該方程可表述為：微元體中的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各力之和。按照這一定律可以得到動(dòng)量守恒方程[3]：

式中：

T —時(shí)間（s）；

S（=1,2,3）—源項(xiàng)（N/m3）。

3）能量守恒方程

包含有熱交換的流動(dòng)必須滿足能量守恒方程。該方程可表述為：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱量加上體力與面力對(duì)微元體所作的功。這樣可以得到能量守恒方程[3]：

式中：

C—比熱容（J/kg·K）；

—溫度（K）；

—流體的傳熱系數(shù)（W/（m2·K））；

S—粘性耗散項(xiàng)（W/m3）。

4）控制方程的通用形式

需要建立通用形式的基本控制方程，以便于對(duì)各控制方程進(jìn)行分析和用統(tǒng)一程序進(jìn)行求解[3]。

式中：

—廣義源項(xiàng)。

在普通的流體計(jì)算中若不涉及能量的變化，則只需求解質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程即可，但本研究涉及溫度能量變化，因此也會(huì)求解能量守恒方程。

2.4 模型簡(jiǎn)化及網(wǎng)格處理

使用ANSYS-FLUNET軟件簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)模型，簡(jiǎn)化后的模型如圖3所示。

圖3 電池包簡(jiǎn)化模型

2.5 邊界條件設(shè)置

固體材料的物性如表2所示。

表2 固體材料物性

計(jì)算的環(huán)境工況定義如表3所示。

表3 環(huán)境工況列表

按照以上參數(shù)在軟件中進(jìn)行設(shè)置，并提交進(jìn)行仿真計(jì)算。

3 仿真結(jié)果

統(tǒng)計(jì)各工況下電芯的溫度數(shù)值，如表4所示。

表4 電芯的溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

電池包放電和充電溫度云圖，分別如圖4和圖5所示。

從以上溫度云圖可看出，在相變材料包裹的區(qū)域電池溫度和鈑金件外殼均較低，分析主要原因是由于相變材料具有較高的蓄熱能力，電池產(chǎn)生的熱量被吸收，但因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)較低，使較短時(shí)間內(nèi)吸收的熱量無法傳遞到外殼。

實(shí)際使用中，由于產(chǎn)品在使用時(shí)工況放電時(shí)間較短，電池溫升很小，因此此方案具有可行性。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

依以上仿真結(jié)果，且因?qū)嶋H產(chǎn)品只能采集一個(gè)溫度，所以實(shí)際產(chǎn)品的溫度采集點(diǎn)定在中間位置。完成產(chǎn)品細(xì)化設(shè)計(jì)并做樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試裝置如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

環(huán)境溫度23 ℃，放電電流25 C，按照表1所示的仿真工況進(jìn)行充放電測(cè)試，采集溫度數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比如表5所示。（溫度傳感器采集溫度為整數(shù)）

表5 電芯的溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

實(shí)測(cè)溫升數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本一致，可滿足啟停工況的使用。

5 結(jié)論

鎳氫電池具備高倍率放電性能，在進(jìn)行pack系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)其發(fā)熱特性和實(shí)際工況選擇適合的散熱方式。本研究針對(duì)啟停用的系統(tǒng)，通過模擬仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，不同工況下的電池溫升小，證實(shí)鎳氫電池可滿足研究中不同工況下的使用要求。

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DESIGN AND ANALYSIS OF 48V START AND STOP Ni-MH BATTERY PACK

*XIE Shi-kun1,3,*GUO Jun-tuan2, XU Guo-chang2, ZHANG Ting-fang4

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China; 2. Hunan Copower EV Battery Co., Ltd, Changsha, Hunan 410205, China; 3. Key Laboratory of Light Alloy Materials in Ji'an City, Ji’an, Jiangxi 343009, China; 4. School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang, Jiangxi 330031, China）

NI-MH batteries have excellent high rate discharge performance and are widely used in high-voltage hybrid systems of passenger cars, but there is few researches on their application in low-voltage light hybrid systems. This article takes the 48V start stop nickel hydrogen battery pack used in a certain vehicle model as the research object. The battery pack uses phase change materials as the heat transfer carrier. To analyze the feasibility of this method, ANSYS FLUENT software was used to simulate and analyze the temperature rise of the battery under different working conditions, and experimental verification was conducted to accumulate data and experiences for the development of nickel hydrogen products in the start stop field.

NI-MH battery; battery pack; simulation analysis; start stop; phase change material

1674-8085（2023）05-0093-06

TN948.2

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2023.05.014

2023-03-05；

2023-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51762022）；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20181BAB206028)；江西省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(GJJ2201606)；吉安市重大科技專項(xiàng)(吉財(cái)教指[2020]83號(hào)）

*謝世坤(1973-)，男，江西吉安人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事材料成型工藝控制研究(E-mail:xskun@163.com)；*郭軍團(tuán)(1984-)，男，河北饒陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事鎳氫動(dòng)力電池Pack及其系統(tǒng)的研究(E-mail: guojuntuan1984@163.com).