混合动力汽车镍氢电池组散热系统研究

0引言
随着石油资源的日益短缺和全球环境的日益恶化，世界各大汽车企业纷纷开始对混合动力汽车进行研究。

镍氢电池组作为一种混合动力汽车重要的储能元件，其性能的优劣和使用寿命的长短对整车的性能和成本有重要影响。

镍氢电池组在充、放电过程中将产生一定的热量，同时受到车载空间和时间的影响，热量不断累积，造成电池温度过高，降低电池充、放电循环效率，影响电池的功率和能量发挥；同时，长时间的充、放电也会造成电池组各处温度不均匀，影响单体电池工作环境的一致性，造成部分电池发生过充或过放反应，进而影响电池的性能和使用寿命[1，2]。

因此，深度研究镍氢电池组的散热技术，并采用高效、合理的电池组散热系统，确保其工作温度始终保持在最优范围之内，尽可能保证镍氢电池组内温度场的均匀分布是十分必要的。

1镍氢电池组的温度特性
Ni-MH电池的充放电过程实际上是电池发生化学反应的过程，在整个化学反应过程中电池的生热量主要来自电化学反应引起的化学反应热Q r、电池极化损失而产生的热Q p、由过充引起的副反应热Q s、内阻焦耳热Q j，因此电池的总的生热量Q可以表述为：
Q=Q r+Q p+Q s+Q j（1）其中：化学反应热Q r分别为放热反应与吸热反应，而且电池放电过程中电化学反应吸热量基本等同于充电过程中的放热量；极化热Q p是由电池的极化而产生的等效阻抗在有充放电电流时消耗的热量；副反应热Q s是电池在充电后期，过充发生副反应而产生的热量；内阻焦耳热Q j是充放电过程中，电池的内阻消耗的热量[3]。

1.1温度对放电性能的影响
本文研究对象为单体电压1.2V，电池包标称电压288V，标称容量6Ah。

在常温下将镍氢电池充满电，不同温度下以1C放电，整理试验数据可得：随着温度的升高，电池可用容量先升高后降低，在20℃左右时，电池可用放电容量最大（如图1）；随着温度的升高，电池瞬间放电能力增大，在40℃左右达到最大，40℃~50℃之间，电池放电能力下降但仍大于电池在低温阶段的瞬间放电能力（如图2）。

图1
不同温度下的容量变化表
图2
不同温度下的脉冲最大放电功率
1.2温度对充电性能的影响
温度对充电性能有影响更大，充电效率在20~40℃之间最高，低温下充电效率较低，随着温度的升高逐渐增大，在40℃以上时，效率变低（如图3）；在相同的SOC下，电池最大允许瞬间充电功率随温度的升高而增大，在50℃以上，电池瞬间允许充放电功率随温度的升高而降低，在40℃左右，电池的瞬间最大充电功率达到最大40kW（如图
混合动力汽车镍氢电池组散热系统研究
Study on the Cooling System of Ni-MH Battery Package for Hybird Electric Vehicle
杨磊YANG Lei;夏正鹏XIA Zheng-peng;张强ZHANG Qiang
（上汽大通汽车有限公司，无锡214185）
（SAIC MAXUS Automotive Co.，Ltd.，Wuxi214185，China）
摘要:本文针对混合动力汽车镍氢电池组充放电过程中的发热现象，研究了电池组的生热机理，设计了电池组的散热系统。

基于整车边界条件，采用流体动力学方法对电池组散热系统进行模拟仿真分析。

试验结果表明，电池组内部最大温差为4℃，保证了电池组内部工作环境温度的一致性，满足了电池组散热系统的设计目标。

Abstract:The heating mechanism of the Ni-MH battery package in the process of charging and discharging used in hybrid electric vehicle is researched,cooling system of the Ni-MH battery package is desiged.Based on the boundary conditions of the vehicle,the model of the cooling is studied by simulation analysis.The results of experiment show the maximum temperature difference is less than4℃among the capacitors,which proves the capacitors work substantially well and meets the design objective of cooling system.
关键词:混合动力汽车；镍氢电池组；流体力学；散热系统
Key words:hybrid electric vehicle；Ni-MH battery package；fluid mechanics；cooling system
4
）。

图3不同温度下的电池充电效率
图4不同温度下的脉冲最大充电功率
2散热方案及仿真
2.1散热方案设计
基于整车的边界条件，将电池组置于后排座椅后面，行李舱内部，即处于一个由后座椅1、、置物板2、行李舱隔板3所组成的密闭狭长空间内。

电池组采用风冷的冷却方式，在电池组上方开四个进风口（如图5）。

置物板2上开有进风窗口4，乘员仓内的气流通过进风窗口进入电池组内，进风管道内的气流均匀通过电池组箱体上的四个进风口，进入由电池包箱体与电池模组形成的上部风道内，电池包内的电池模组的底部留有风道，在底部风道设置两个
鼓风机，冷却气流流经电池模组内的风道后，进入底部风道、分别经两侧抽风机，最后从电池包底部出风口流出。

图5四进风口方案电池组三维模型
2.2流动与传热控制方程
为了研究电池组的温度场状态，首先要分析其传热原理[4]。

由热力学第二定律可以知道，在影响电池组内部热传递的因素中，流体速度是主要因素，因此研究对流换热流速需将流体力学与传热学结合起来使用[5]。

对电池组而言，其内部气体在流动过程中，流体粘度和流体的密度可近似为常数，因此属于不可压缩粘性流动。

流体力学的问题都是由连续性方程、Navier-Stokes 方程规定。

对于对流换热问题，还应补充能量方程。

此时，二维对流换热的
控制方程为：
连续性程：（2）
Navier-Stokes 方程：
（3）
能量方程：（4）
其中：u 、v 为x 、y 方向的速度分量；p 为压力；ρ、v 、α分
别为流体的密度、运动粘性系数、热扩散率；T 、t 分别为温度和时间；S 为能量方程的源项。

2.3散热方案仿真由图6可知，电池组位于行李舱内，在整车运行过程中，冷却空气是从置物台上方的入口吹进电池内部，最终充电池底部吹出。

因此，仿真模型主要由电池模组、电池组底部支架、电池组盖板、进风管道组成。

考虑到电池组几何模型的对称，为简化仿真模型，仅取1/2的模型进行数值
模拟（如图7）。

图7电池组散热系统简化几何模型
在仿真计算前，需定义各材料属性，将电池模组简化
为电池热源，视为均匀发热体；电池组盖板、
底部支架材料为低碳钢，进风管道及电池支架材料为阻燃性塑料，表1为各介质的物性参数。

图6电池组空间位置示意图
表1介质物性参数表
材料参数比热（J/（kg ·k ））导热系数（W/m ·℃）密度
（kg/m 3）电池空气钢材塑料
153410054651445
14.90.0276450.19
27901.16578601072
利用CFX 中的k-湍流模型对镍氢电池组工作状态进行稳态分析
[6]。

在给定试验工况下，测得动力电池组的平均功率为340W ，发热功率为26928W/m 3，流体为连续流体介质。

边界条件：冷却介质为空气，初始温度为25℃；进风口位于进风管道顶端，通过底部风机的抽吸作用对电池进行强制对流换热，给定冷却空气的流量3m 3/min ；外壳与周围环境对流换热，对流换热系数为5.7W/（m 2K ）。

图8电池组流线轨迹图
图9电池组温度分布图
由于冷却空气均匀流过电池模组的3个空腔，电池组沿轴向的温度分布较为均匀，冷却空气的流速从顶层到底层，沿着流动方向逐渐增大，换热系数也随之增大。

因此，冷却空气对电池表面的散热能力能够基本保持一致，使整个电池组温度场的均匀性较好（见图8）。

仿真结果表明，电池组的最高温度为37.3℃，在第2排外侧的电池模块的两端处，在镍氢电池组的最佳工作范围内（0℃-45℃），电池单体中心最大温差为4.6℃，在5℃的范围内。

3散热系统试验验证
为得到电池组在工作过程中的实际温度场分布和温升情况，对已有电池组样件进行温度测试，需要在电池表面的不同位置布置热电耦。

考虑到热电偶位置的布置应尽量减小其对流场的影响，热电耦的布置方案以进风口为基准，从上至下均匀布置。

为保证各单体初始温度的一致性，需将电池组放入恒温箱中进行暖包，将恒温箱设定为某恒定值（见图10）。

将恒温箱环境温度设为35℃，电池组搁置
3h 后，使电池组内各部位温度都达到稳定后，利用搭建的
充放电试验台对电池组进行循环充放电试验（见图11）。

首先以
1C （6A ）
电流放电至电池单体终止电压1.0V ，然后在1C 充电条件下充电30min ，以此进行若干循环。

通过BMS 控制风机启停，即当电池包内温度达到38℃时，风机自动开启，对电池组进行冷却，直至电池组内温度降到36℃后，风机停止工作。

试验过程中利用CAN 设备对电池组的Pack 电压及采样电压进行采集监控，同时，利用温度采集设备存储温度数据。

待电池组充放电循环结束后，等到温度记录仪中显示的温度达到稳定状态后，将试验数据进行整理。

图11电池信息采集系统监控界面
图10温度特性试验环境
从电池组温度分布曲线图（图12）可以看出，工况循环1小时50分钟后，电池组温度稳定在39.51~41.17℃之间，电池模块间最大温差为1.66℃，直至电池组充放电结束，电池组内温度保持稳定，图13为温度达到最大值时，电池组内各采样点的瞬时温度，此时电池组内最大瞬时温差为1.96℃。

从试验可以看出，电池组内不同区域温度采样点的最大温差都在5℃以内，与仿真结果吻合，满足电池组实际工作环境温度的需求。

图12电池组温度分布曲线图
图13温度最高点电池组温度分布曲线图
0引言
汽车动力传动系统的开发与研究在整车制造中尤为关键。

目前相关研究技术的革新主要发生在汽车底盘动力传动系上。

AVL-CRUISE可以说是一种功能强大的综合性汽车动力传动系统开发软件。

目前它的功能和作用主要体现在以下领域：
①可综合预测传统内燃机汽车动力传动系统的参数，包括车辆的排放性能、动力性能，并判断其是否满足经济合理的基本要求；②可检验混合动力汽车、电动汽车、燃料电池车的新型传动系统的动力匹配是否与设计要求相符；
③可研究变速箱（MT、AT、DCT）变速器的换挡原理及其对换挡性能的影响；④可基于零部件的工作状态确定其设计参数。

在研究整车性能以及开发整车系统时，都要提前进行
建模分析。

CRUISE能够为整车及整车动力系统的建模和仿真分析提供很多实用的功能。

但是以往在建模和仿真分析中，往往得不到比较完整的试验数据。

设计者只能通过大量的测量工作和反复试验来汇总试验数据，可以说这是一项既耗时又耗力的工序。

鉴于此，在下文中笔者将介绍一种基于CRUISE软件循环计算来获取试验数据的新方法。

1整车模型的建立
一般来说，传统的汽车动力传动系统主要分为动力机构和传动机构，其基本模型如图1所示。

在该模型图中，每个部件都对应着一系列的数据和性能参数。

比如表1所示的某汽车系统的循环参数就是经过了大量的测试和测量才搜集到的试验数据。

整车发动机变速箱主减速器车轮●计算车重
（整车整备
重量+负载）
●前后轴负
载
●重心高度
●行驶阻力
系数
●缸数
●排量
●最高转速
●最高/低转速限制
●怠速
●怠速排放
●排放Maps
●怠速油耗
●燃油耗Maps
●发动机摩擦阻力曲线
●发动机外特性曲线
●各档传
动比
●各挡传
动效率
●换挡时
机
●传动效率
●主传动比
●车轮滚动
半径
●车轮转动
惯量
●变速箱转
动惯量
●发动机、离
合器及其附
件的转动惯
量
表1传统汽车数据列表
2仿真理论基础
为了对整车的动力特点进行全面分析并做出一个比
4结论
本文设计了混合动力汽车镍氢电池组的散热系统，建立了电池组的散热模型，完成了电池组温度场仿真计算，并进行了实验验证。

对比仿真结果和实验数据，两者基本吻合，证明了仿真模型的正确性。

同时，本文采用风冷的散热结构，可以控制电池组的最大温差在1.96℃，能够满足混合动力汽车电池组的散热要求，可以广泛用于车用电池组的实际设计中。

参考文献:
[1]秦大同，梁昌杰.混合动力汽车用镍氢电池组散热性能仿真与试验[J].中国公路学报，2010，23（5）：107-112.
[2]Akihiro Taniguchi,Noriyuki Fu jioka,etal.Development of nic kel/metal hydride batteries for EVs and HEVs[J].Journal of Power Sources,2001,100(1-2):117-124.
[3]Yazdanpour M,Taheri P,Bahrami M.
A Computationally-Effective Thermal Model for Spirally Wound Nickel-Metal Hydride Batteries[J].Journal of The Electrochemical Society,2014,161(1): A109-A117.
[4]杨世铭，陶文铨.传热学[M].四版.北京：高等教育出版社，2006.
[5]王秋望.传热学重点难点及典型题精解[M].西安：西安交通大学出版社.
[6]王福军.计算流体动力学分析CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
汽车动力传动系统匹配方法研究
张衍发
（株洲中车时代电气股份有限公司，株洲412000）
摘要:模拟与仿真技术目前已是汽车动力传动系统开发中的必备工具。

AVL-CRUISE仿真技术与同类仿真技术一样都属于专业仿真软件，被广泛应用在科技研发机构、整车厂以及汽车零部件供应领域。

在研究和开发整车系统的过程中，前期必须广泛收集整车及整车动力传动系的试验数据进行建模和分析。

在本文中，将借助专业仿真软件和试验测试数据，通过参数自定义来获取仿真模型中汽车和动力传动系统的关键参数，这对于快速构建并开发整车基本模型来说大有裨益。

关键词:动力传动系统；整车模型；仿真
图1传统车传动系统模型。