郭軍團(tuán)，謝世坤，徐國昌，張庭芳

圓柱型Ni-MH電池包浸液冷卻設(shè)計(jì)及分析

郭軍團(tuán)1，*謝世坤2，徐國昌1，張庭芳3

（1.湖南科霸汽車動(dòng)力電池有限責(zé)任公司，湖南，長沙 410205；2. 井岡山大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西，吉安 343009；3.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西，南昌 330001）

隨著國家對(duì)環(huán)保的越發(fā)重視，節(jié)能與新能源汽車的車型和產(chǎn)量急劇增加，對(duì)動(dòng)力電池包的防護(hù)等級(jí)和使用壽命的要求越來越高。而電池的使用壽命與所處的溫度有很大關(guān)系，溫度適中，其壽命越長，溫度越高壽命越短。本文主要研究圓柱型鎳氫電池的電池包設(shè)計(jì)方案，新開發(fā)一種全新的使用浸液冷卻的電池包，通過對(duì)浸液電池的性能測試，部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，熱仿真設(shè)計(jì)及臺(tái)架和第三方測試驗(yàn)證，有效控制電池溫度和提高電池包的防護(hù)等級(jí)，方案可行，對(duì)鎳氫電池包后續(xù)使用浸液散熱提供依據(jù)和指導(dǎo)。

鎳氫電池；圓柱型電池；電池包；散熱冷卻

當(dāng)前全球石油資源日益緊缺，環(huán)境和大氣污染越來越嚴(yán)重。我國最高領(lǐng)導(dǎo)人在氣候峰會(huì)上提出“中國力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”這一重要指標(biāo)，全國各行業(yè)均在針對(duì)“碳達(dá)峰、碳中和”進(jìn)軍。作為最近幾年風(fēng)頭正緊的節(jié)能與新能源汽車更是大勢所趨。隨著人民物質(zhì)生活水平的提高，對(duì)汽車的要求不僅功能性更要求美觀性的提升，汽車的車型日益增多，混合動(dòng)力、純電動(dòng)、氫燃料電動(dòng)等新車型相繼問世，而為滿足多樣化車型的需求，作為重要零部件的電池包系統(tǒng)的要求也越來越高。

為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題，世界各國均將發(fā)展新能源汽車納入國家發(fā)展戰(zhàn)略，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)[1]。動(dòng)力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的核心部件之一，其性能優(yōu)劣直接決定了新能源車輛性能是否達(dá)標(biāo)[2]。

1 電池包散熱現(xiàn)狀

電池包內(nèi)的溫度環(huán)境對(duì)電芯的可靠性、壽命及性能都有很大的影響。因此，使電池包內(nèi)溫度維持的一定的溫度范圍區(qū)間內(nèi)就顯得尤其重要。這主要是通過冷卻來實(shí)現(xiàn)。目前，電池模組主動(dòng)冷卻方式主要包括: 強(qiáng)制風(fēng)冷散熱、液冷散熱與相變材料冷卻等幾種方式[3]。風(fēng)冷即利用空氣作為換熱介質(zhì)，主要采用自然對(duì)流或者強(qiáng)制對(duì)流的方式，將電池模組產(chǎn)生的熱量帶走[4]。由于風(fēng)冷模式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、成本較低且易于實(shí)現(xiàn)，許多車型都采用了風(fēng)冷方式，如豐田、奇瑞等[5]。

風(fēng)冷是以低溫空氣為介質(zhì)，利用熱的對(duì)流，降低電池溫度的一種散熱方式。該技術(shù)利用風(fēng)機(jī)為電池降溫，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)且成本低，在豐田混動(dòng)車上應(yīng)用廣泛，其基本原理圖如圖1所示，冷卻示意圖如圖2所示。

圖1 風(fēng)冷基本原理圖

圖2 冷卻示意圖

液冷就是利用導(dǎo)熱率相對(duì)較高的流體間接或直接接觸電池散熱的方法。直接接觸式的液冷所用的是絕緣且熱導(dǎo)率高的液體（如硅基油、礦物油）直接接觸單體電池或模塊。它能夠很好地解決模塊溫度均勻化的問題，但是由于絕緣液體粘度較大，流速不會(huì)很高，從而限制了其換熱效果。系統(tǒng)的熱交換效率很大程度上取決于流體的熱導(dǎo)率、粘度、密度、速度以及流體流過電池的方式[6]。

間接接觸式液冷中，液體在管道內(nèi)流動(dòng)，通過翅片或熱沉等介質(zhì)接觸電池而帶走熱量，從而冷卻電池[7]。由于沒有絕緣要求，且沒有流速限制，所以可以選用熱導(dǎo)率高的液體，換熱效果非常好。但在溫度均勻性方面，不如直接接觸式的液冷。為了防止泄漏及短路，該種方法對(duì)管道的密封性有較高的要求。

液冷技術(shù)通過液體對(duì)流換熱，將電池產(chǎn)生的熱量帶走，降低電池溫度。液體介質(zhì)的換熱系數(shù)高、熱容量大、冷卻速度快，對(duì)降低最高溫度、提升電池組溫度場一致性的效果顯著，同時(shí)，熱管理系統(tǒng)的體積也相對(duì)較小。市場上通用的液體主要為乙二醇和水的混合液[8]，實(shí)際運(yùn)行過程中，導(dǎo)流管道與電池表面通過絕緣導(dǎo)熱物料進(jìn)行熱量傳導(dǎo)，冷卻液體流經(jīng)導(dǎo)流管道時(shí)，因換熱系數(shù)高，導(dǎo)熱速度快，將電池表面的熱量帶走。此系統(tǒng)往往配置比較復(fù)雜，需要額外增加冷凝換熱器或需與整車?yán)淠髋涮资褂?。液冷基本原理圖如圖3所示。

圖3 液冷基本原理圖

相變散熱是利用其相變潛熱來吸收電池充放電過程產(chǎn)生的熱量，可保持較好的溫度均勻性，但由于其成本較高，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜且難以維護(hù)，目前應(yīng)用相對(duì)較少[9]。

相變材料或熱管儲(chǔ)熱利用了物體相變時(shí)的潛熱來存儲(chǔ)或釋放能量。在電池充放電過程中，相變材料吸熱，帶走一部分熱量，緩解了電池的發(fā)熱情況。相變材料安放在電池組內(nèi)，直接和電池模塊接觸換熱時(shí)，一旦變形則會(huì)帶來一些問題。

圓柱型鎳氫電池目前普遍采用的是風(fēng)冷和水冷進(jìn)行散熱，散熱結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，但也有其缺點(diǎn)，風(fēng)冷無法達(dá)到IP67，水冷成本高且需要額外配置散熱裝置。為解決目前的應(yīng)用課題且降低成本，提出鎳氫電池浸液散熱的方式，以提高IP防護(hù)等級(jí)，降低電池環(huán)境溫度延長電芯使用壽命。

2 鎳氫電池包浸液結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鎳氫電池結(jié)構(gòu)

圓柱形密封式鎳氫蓄電池具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，安全性高，免維護(hù)，使用壽命長，自放電率低，使用溫度范圍寬、一致性高等特點(diǎn)，適于大功率放電使用。主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1-正極板 2-負(fù)極板 3-隔板 4-負(fù)極集電體 5-鋼殼 6-正極集電體 7-封口板底板 8-焦耳 9-安全閥

2.2 冷卻液體選擇

由圖4可看出，鎳氫電池為保證在使用過程中，若出現(xiàn)濫用能夠及時(shí)進(jìn)行排氣，鎳氫電池頂部設(shè)計(jì)有安全閥，安全閥采用特殊的材質(zhì)，正常情況下保證內(nèi)部電解液不會(huì)溢出，非正常情況下能夠及時(shí)進(jìn)行排氣。若使用浸液設(shè)計(jì)，則需要對(duì)對(duì)冷卻液進(jìn)行篩選，冷卻液的要求主要有以下幾點(diǎn)：

1） 絕緣；

2） 導(dǎo)熱和蓄熱；

3） 不與安全閥反應(yīng)；

4） 不與電池其他零部件反應(yīng)；

5） 不會(huì)高溫燃燒。

經(jīng)過挑選和進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，最終選擇二甲基硅油作為冷卻液。二甲基硅油的導(dǎo)熱系數(shù)為0.2，閃點(diǎn)390℃，絕緣性能良好。

2.3 電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鎳氫電池采用浸液設(shè)計(jì)，可大大減少電池之間的間隙，從而縮小電池包模組的體積，方便電池包的安裝。

電池包的結(jié)構(gòu)主要由以下圖5所示部分組成。

圖5 電池包結(jié)構(gòu)

排氣閥主要作用當(dāng)電池被濫用時(shí)，及時(shí)將氣體排出，進(jìn)行電池包泄壓；箱體主要采用的是鋁合金壓鑄工藝，兩側(cè)留有散熱翅片，增大散熱面積；電池模組采用密集排列，當(dāng)電池模組放入箱體中時(shí)，注入導(dǎo)熱液體，將電池完全進(jìn)行浸液操作；頂蓋與箱體之間采用硅膠密封，保證密封面不溢出液體，頂蓋內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有延伸導(dǎo)熱柱，用于傳導(dǎo)熱量。

正負(fù)極出線端的密封及固定考慮使用塑料件及絕緣膠進(jìn)行雙重防護(hù)，并在箱體內(nèi)側(cè)的極柱上增加緊固螺母，防止極柱脫落。具體見圖6所示。

用于浸液設(shè)計(jì)的電池包，必須保證IP67的防護(hù)要求，防止內(nèi)部液體溢出，同時(shí)防止外部灰塵和雨水等的浸入。頂蓋和箱體的密封在設(shè)計(jì)和選材上可以滿足要求，排氣閥在選擇時(shí)，因其特殊要求，必須具備疏水性、疏油性并同時(shí)能夠通風(fēng)排氣，排氣閥的過濾膜采用進(jìn)口E-ptfe材質(zhì)。

3 鎳氫電池浸液散熱仿真分析

3.1 仿真發(fā)熱原理

通過電化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能和反應(yīng)熱能等的公式，以及鎳氫電池在充放電階段的不同反應(yīng)，整理得出鎳氫電池不同階段的生熱率公式如下

充電時(shí)主反應(yīng)的生熱率：

Q= 0.547I+3.6I2R（KJ/h） （1）

充電時(shí)副反應(yīng)的生熱率：

Q= 5.334I+3.6I2R（KJ/h） （2）

放電時(shí)主反應(yīng)的生熱率：

Q=－0.547I+3.6I2R（KJ/h） （3）

式中，R極化內(nèi)阻R（Ω）和焦耳內(nèi)阻R（Ω）之和。

充電時(shí)，主、副反應(yīng)均為放熱反應(yīng)。充電初期只有主反應(yīng)，電池溫度隨著充電時(shí)間逐漸升高；充電后期（荷電態(tài)>80%），副反應(yīng)出現(xiàn)，主、副反應(yīng)同時(shí)存在，比較式（1）和式（2）副反應(yīng)放出的熱量是主反應(yīng)的 10 倍左右，因此電池溫度上升的速度明顯加快；放電過程主反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，但由于焦耳熱、極化熱始終為正，電池溫度升高或降低由它們共同決定[6]。

3.2 仿真模型的簡化

本項(xiàng)目采用ANSYS FLUENT軟件進(jìn)行仿真分析，首先將電池包進(jìn)行簡化處理，處理后的模型如圖7所示。

圖7 簡化模型

3.3 網(wǎng)格劃分及仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)簡化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8 剖面網(wǎng)格

網(wǎng)格總數(shù)量為1444萬左右，網(wǎng)格質(zhì)量最低為0.147。網(wǎng)格質(zhì)量很好，數(shù)量適中。

根據(jù)電池包內(nèi)部所使用的物料設(shè)置相應(yīng)的物料參數(shù)，具體如表1所示。

表1 物料參數(shù)表

導(dǎo)熱液體的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 導(dǎo)熱流體參數(shù)設(shè)置

電池的電流按照流經(jīng)每個(gè)單體的電流1.5A（0.2C）進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置環(huán)境溫度為25℃。

3.4 仿真分析結(jié)果

為對(duì)比分析浸液散熱的效果，仿真時(shí)設(shè)置兩種工況，一種為浸液冷卻，一種為空氣。

設(shè)置外殼外表面邊界條件，外殼外表面和空氣接觸，自然對(duì)流換熱還有輻射能量，邊界采用Mixed邊界模型，對(duì)流換熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取為5，外界環(huán)境溫度為300 K，輻射模型參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。壓力速度耦合方法采用Coupled，壓力項(xiàng)采用PRESTO。

經(jīng)過仿真計(jì)算，浸液結(jié)果如圖9所示?？諝饫鋮s結(jié)果如圖10所示。

圖9 浸液結(jié)果云圖

圖10 空氣冷卻結(jié)果云圖

從以上兩種不同工況的仿真結(jié)果可看出在1.5 A（0.2C）小電流充電過程中，使用浸液冷卻散熱的電池包溫度主要集中在中上部區(qū)域，最高溫度可以達(dá)到40.1℃；而使用空氣冷卻散熱的最高溫度達(dá)到49.3℃。

浸液散熱效果明顯。

4 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，進(jìn)行臺(tái)架搭建，并按照實(shí)際工況電流進(jìn)行相應(yīng)的測試，臺(tái)架搭建如圖11所示。

圖11 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)照片

溫度曲線如圖12所示。

圖12 充電溫升曲線圖

經(jīng)臺(tái)架測試驗(yàn)證，正常充電過程中（% ～100%，0.2C充滿電需要18000 s），電池包的溫度可以控制在45℃以內(nèi)，保證電池使用安全。

5 IP防護(hù)測試

將新開發(fā)的電池包委托第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)IP防護(hù)的測試，測試標(biāo)準(zhǔn)GB4208-2018。電池包整體浸入水深深度1 m的水池內(nèi)，浸水時(shí)間30 min，測試后檢查箱體內(nèi)部無任何灰塵和水的進(jìn)入，則判定滿足IP67的防護(hù)要求。實(shí)際測試過程照片如圖13所示，經(jīng)檢測機(jī)構(gòu)檢查判定滿足IP67防護(hù)。

圖13 IP防護(hù)測試照片

6 結(jié)論

通過對(duì)鎳氫電池用浸液類型的選擇、電池包結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、熱仿真以及臺(tái)架測試，確定浸液散熱方案滿足溫度控制的要求，同時(shí)針對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)的電池包委托第三方檢測機(jī)構(gòu)做了IP防護(hù)等級(jí)的確認(rèn)，確定浸液油冷包的設(shè)計(jì)開發(fā)滿足設(shè)計(jì)開發(fā)目標(biāo)，能夠滿足汽車對(duì)IP防護(hù)的要求，具備小批量推廣的條件。

[1] 曹明偉. 純電動(dòng)汽車電池組被動(dòng)式液冷散熱系統(tǒng)仿真分析與優(yōu)化[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2017.

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DESIGN AND ANALYSIS OF IMMERSION COOLING FOR CYLINDRICAL Ni-MH BATTERY

GUO Jun-tuan1,*XIE Shi-kun2, XU Guo-chang1, ZHANG Ting-fang3

（1. Hunan Copower EV Battery Co., Ltd., Changsha, Hunan 410205,China;2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China;3. School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang, Jiangxi 330031, China）

As the country pays more and more attention to environmental protection, the models and output of energy-saving and new energy vehicles increased sharply, and the requirements for the protection grade and service life of power battery pack were higher and higher. The service life of the battery is closely related to the temperature. The moderate temperature is for the longer service life, the higher temperature for the shorter service life. In this paper, the battery pack design scheme of cylindrical Ni MH battery was studied, and a new battery pack using immersion cooling was newly developed. Through the performance test of immersion battery, component structure design, thermal simulation design and bench and third-party test verification, the battery temperature was effectively controlled and the protection grade of battery pack was improved. The scheme is feasible, which can provide basis and guidance for subsequent use of immersion heat dissipation of Ni MH battery pack.

Ni-MH battery; cylindrical battery; battery pack; heat dissipation cooling

1674-8085（2021）06-0069-04

TQ324.3

A

10.3669/j.issn.1674-8085.2021.06.013

2021-08-23；

2021-09-26

國家自然科學(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(GJJ201006)；吉安市重大科技專項(xiàng)(吉財(cái)教指[2020]83號(hào))

郭軍團(tuán)(1984-)，男，河北饒陽人，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)；

*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)；

徐國昌(1984-)，男，江西吉安人，工程師，碩士，主要從事鎳氫電池開發(fā)研究(E-mail: xuguochang@corun.com)；

張庭芳(1971-)，女，山東曲阜人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事鎂合金塑性成型、工藝控制、新能源汽車和汽車電子控制等方面的研究(E-mail: tfzhang@ncu.edu.cn).