热辐射对电动汽车电池组分冷散热性能的影响

邓耀骥，

王旭飞

陕西汉中723001)(陕西理工大学机械工程学院，

利用Fluent软件对在自然风冷情况下电池组摘要：为了研究热辐射对小型电动汽车电池组自然风冷散热性能的影响，热辐射对电池组风冷散热性的温度场进行仿真分析。研究了辐射温度和进气温度对电池组散热性能的影响。结果表明，能影响较大，在电池组散热系统设计时不能忽略热辐射的影响。散热；热辐射；关键词：小型电动汽车；Fluent；风冷中图分类号：TM912.1

文献标识码：A

文章编号：1002-087X(2017)11-1602-03

Influenceofheatradiationonair-coolingperformanceofbatterypack

forelectricvehicle

DENGYao-ji,WANGXu-fei

Abstract:Forstudyingtheinfluenceofheatradiationonthenaturalair-coolingperformanceofsmallelectricvehiclebatteries,

thesimulationofthetemperaturefieldofthebatteriesundertheconditionofnaturalair-coolingwas

Theinfluenceofradiationtemperatureandinlettemperatureontheair-cooling

conductedinsoftwareFluent.

performanceofbatterypackwasstudiedindetail.Theresultsshowthattheheatradiationhasagreatinfluenceontheair-coolingperformanceofbatterypackandtheinfluenceofheatradiationcannotbeignoredinthedesignofbatterycoolingsystem.

Keywords:smallelectricvehicles;heatradiation;heatdissipation;Fluent;aircooling

2011年颁布了《节能与新能源汽车发展规划(2011年至2020年)》，2012年国家科技部编制了《电动汽车科技发“十二五”，说明我国已将电动汽车作为汽车发展专项规划》但与传统汽车相比，续驶里程短和成本高展的一个重要方向，

仍然是制约纯电动汽车发展的瓶颈。小型电动汽车具有结构便捷灵活，适合中等收入人群的中短途交通紧凑，安全环保，具有很大市场潜力[1]。需求，

但铅酸蓄电池作为电动汽车的动力源，虽然有许多不足，由于其技术成熟，可大电流放电，适用温度范围宽和无记忆效应等性能上的优点，以及原材料的易于获取和其使用成本远低于氢镍和锂离子等高能电池，目前仍然是在电动汽车中切实可行的动力电源之一。尤其是近年来，铅酸蓄电池作为一种绿色新能源，已在我国低端动力车市场得到了广泛应用[2]。

铅酸蓄电池作为储电元件为汽车供能是解决目前能源危机的有效手段之一，但驱动电动汽车往往需要将许多电池串组使用，而电池在使用过程中会产生热量，从而自身的温度会充电接收能力、操纵性有一提高。电池温度不仅对放电功率、

收稿日期：2017-04-25

（2016GY-050）基金项目：陕西省科技厅工业攻关项目；陕西理

（SLGKY14-02）工学院科研基金项目

主要研邓耀骥（1991—）硕士研究生，作者简介：，男，江苏省人，究方向为新能源汽车节能减排技术。

王旭飞通信作者：

定的影响，而且还大大影响电池的寿命。对于铅酸蓄电池来说，美国NREL(nationalrenewableenergylaboratory)的研究成电动汽果认为，合适的工作温度范围是25℃到45℃。因此，车电池在使用过程中应设计良好的热管理系统[3]，电池组良好的散热性能也是热管理系统的一项重要内容。

在此之前，同济大学杨志刚教授针对电动汽车锂离子电池组散热不均匀会影响电池组使用性能、可靠性和安全性的问题，对电池组散热方案进行了优化设计[4]。重庆大学的林国发对电动汽车锂电池组温度场进行研究并对其结构优化[5]。江苏大学的徐晓明对高速行驶时电动汽车动力舱自然进风散热性能进行研究[6]。他们的共同点就是选取的研究对象都是设计电池包起到一定隔热作用，有电池包的电池组，因而他们仿真时都忽略电池组周围热辐射对电池组散热性能的影响。我国往往没有设计电池包，这就使得电小型电动车还在发展阶段，

池组直接受到周围热源产生的热辐射的影响。本文以某款小型电动汽车电池组为研究对象，重点研究了电池组周围热辐射对电池组散热性能产生的影响，对以后小型电动汽车动力电池包和热管理系统的设计起到参考作用。

1电池组的散热模型

铅酸蓄电池的实际产热情况复杂，在电池温度场数值计算时进行合理简化。简化主要包括如下三项内容[2]：

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研究与设计密度一致；同一材料的(1)组成电池的各种材料介质均匀、

比热为同一数值、同一材料在同一方向各处的传热系数相等；电池充放电时，电池内部各处电流密度均匀。

(2)组成电池的各种材料的比热容和热导率不受温度和SOC变化的影响。

生热(3)电池充放电时，电池内核区域各处电流密度均匀，速率一致。

得到式(1)所示简化的直角坐标系三维非基于以上假设，稳态热模型。

¶T¶T¶T¶T

(1)=lx2+ly2+lz2+q

¶t¶x¶y¶z

式中：为传热介质密度，kg/m3；P为比热，J/(kg·℃)；、、2

2

2

3.2计算方法

本文Fluent计算采用了基于压力的算法，Realizablek-着在数值计算中采用SIMPLE算湍流模型和灰体DO辐射模型。法，离散格式均采用二阶迎风格式。

3.3材料和边界条件

电池壳体材料为ABS塑料，电池组托架材料为不锈钢，流体为空气。各介质的物性参数见表1。入口为速度进口边界条件；湍流度由经验设为0.5%，粘性比为2%；出口为压力出口大小为标准大气压；边界条件，流体和固体交界面为耦合传热边界。

表1 介质的物性参数表 材料名称 ABS塑料 空气 不锈钢 电池组 rCP

为沿、、的传热系数W/(m·℃)；为单位体积生热速率，W/m3。

2电池生热速率模型

工程应用中准确获取电池单位体积生热速率较困难。目前主要有理论计算和实验两种方法得到

表达式比的表达

r/(kg·m） 1 100.000 1.165 8 030.000 2 849.000 －311CP/(J·kg·K） 1 470.00 1 005.00 502.48 817.00 －－11导热系数l/(W·m·K） 0.263 0.027 16.270 1.180 －－

4仿真分析

4.1不考虑热辐射

当汽车以60km/h速度行驶时，由于进气栅格与水平线存在30°夹角，进口风速折算为沿水平方向11.25m/s，竖直方生热功率由向6.5m/s，进气温度为25℃，电池以0.33放电，公式(2)计算得1717W/m。当计算结果收敛时，仿真结果如图2~图4。

式。本文在计算电池生热速率时，采用的是D.Bernardi的电池生热速率数学模型[7-8]，其表达式为：

IdEq=[(E0-U1)-T0] (2)

VbdT

式中:b是电池单体的体积；是电池充放电的电流(A)充电取放电取正；0是电池单体的开路电压(V)；1电池单体端电负，

一压(V)；是热力学温度(K)；d0/d是温度影响系数(V/K)，般取－0.5mV/k；(0－1

)，(d0/d)分别表示电池反应产生的

焦耳热部分和可逆反应热部分。

3建立计算模型

3.1几何模型

研究对象采用的是某款阀控硅胶动力铅蓄电池，单体电池的尺寸为260mm×180mm×272mm，电池壳体厚度为1mm，电池相邻固定放置。

一部分由三块电池组成，此款电动车将电池分为两部分：

安装在汽车动力舱内；另一部分安装在后车厢下部。由于只有动力舱内的电池才会受到热辐射影响，所以只对这部分电池建模。在进行CFD仿真之前，先对几何模型做出必要的简化，创建的三维模型省略了正负极柱，忽略了电池内部用于绝缘的连接材料和电池外观的倒圆和倒角特征。在workbench中建立的电池组模型、电池组前部进风口和后部出风口如图1所示。

图3

电池间接触面的温度云图图2

电池组表面温度云图

图1电池组几何模型

图4风速矢量图

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研究与设计中其中由图2，图3可以看出电池组的温度分布不均匀，心处温度最高达到了42.8℃，电池组顶部和后部温度也较高，分别达到了40.2、36.8℃。电池组边缘处温度最低为30.1℃。由图4可以分析出这是由于与电池边缘接触的气流速度较所以温度低，大，散热条件好，由于进气口和出气口都在电池组下方导致电池组上部和后部风速较小，相邻电池紧挨导致散热条件差，不能将热量及时带走，造成了热空气流动性差，

量积累，因此温度明显高于其他地方。

由于此款电动汽车没有设计电池包，而电动汽车动力舱电机/车辆控制器，内还有其他热源，如驱动电机，DC/DC变换器及车载控制器，它们在工作时温度都很高[9]。同时考虑热传导、对流换热和热辐射三种传热方式对电池组温度分布的影响，更加符合电池组工作时的环境。

考虑极其恶劣的情况，设置电池组外部辐射温度为85℃，仿真结果如图5和6。

均匀性得到提高。组整体温度上升，最大温差减小，

4.4辐射温度变化

电电池组受到的热辐射的强度主要受到周围热源温度，池外壳材料热属性，热源与电池组距离等不同因素的影响。不热辐射的强度也不同，同条件下，从而对电池组温度场的影响也不一样。当车速为60km/h时，对辐射温度变化时电池组的仿真结果如图7所示。温度场进行仿真分析，

70

6050403020100

电池组温度/℃4.2考虑热辐射

最高温度最大温差40557085

辐射温度/℃

图7辐射温度变化情况下电池组温度

由图7可以看出当辐射温度为40℃，与电池组温度接近此时热辐射对电池组散热性能影响不大，不会大幅提高电时，

但降低了最大温差，池组的温度，有利于温度均匀性。随着外电池组内部最大温差几乎没有变化，电池部辐射温度的升高，

组最高温度与辐射温度成线性关系增加。

4.5进气温度变化

因此在动力舱内的进气温度变化的情冬夏季气温变化大，

图5

电池组表面温度云图

对电池组温度场进行仿真分析。假设外部辐射温度为85况下，

℃，车速为60km/h，进气温度变化情况下电池组温度如图8。

90

80706050403020100-10-20

有辐射最高温度有辐射最大温差无辐射最高温度无辐射最大温差电池组温度/℃-2502550

图6电池间接触面的温度云图

图8

进气温度/℃

由图5和图6可知电池组最高温度达到了.6℃，出现最低温度为55.2℃，最在电池组中心处；出现在电池边缘处；大温差为9.4℃。这是由于电池组外部热辐射温度达到85℃，所以会对电池组起到加热作用，由仿真结高于电池组的温度，

果可知热辐射对电池组外表面温度提升明显，对电池间中心处温度提升幅度较小。

进气温度变化情况下电池组温度

电池组最高温度有大幅提由图8可以看出，考虑辐射后，但提高幅度随进气温度上升而减小，最大温差略有降低。高，

在冬天进气温度较低时(如0℃)，电池组仅靠自身发热温度比考虑辐射后电池组温度达到理想的工作范围内，此时热较低，

辐射是对于电池组是有利的。夏天当进气温度较高时(如25考虑热辐射后会超出理想℃)，电池组靠自身发热温度就很高，的工作范围，这将影响电池的性能和安全。

4.3对比分析

将考虑辐射和不考虑辐射两种情况下电池组温度场进行比较，对比结果如表2。

由表2可知与不考虑辐射的情况相比考虑辐射后电池组最高温和最大温差分别增加了50.9％和减少了25.9％，电池

表2 电池组散热效果比较 项目 最高温度/℃ 最低温度/℃ 最大温差/℃ 不考虑辐射 42.8 30.1 12.7 考虑辐射 .6 55.2 9.4 效果 21.8 25.1 －3.3 5结论

(1)利用Fluent软件，模拟分析了考虑辐射前后的电池组温度场情况，结果表明电池组周围的高温热源对电池组散热性能影响很大，所以在仿真电池组分冷散热时必须考虑热辐射的影响。

(2)在车速为60km/h和辐射温度为85℃的条件下，考虑辐射后电池最高温度上升了50.9％，最大温差减少了25.9％，

(下转第1666页)

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综述三菱重工在苍龙级基础上寻求技术突破，采购10台燃料电池和甲醇重整装置进行实验性研究。德国林德集团将钯膜技术应用于重整制氢系统，已经在进行小规模示范，具有潜艇用制氢应用价值。

[6]

1.2氢源技术对比

以4节速度供电航行以西班牙新型S-80A潜艇为例，

1440nmile，总储能约110kW×360h=39600kWh，以氢耗量0.054kg/kWh计算，大约需氢气2.14×103kg，若用金属氢化物储氢，以2%(质量分数)计算，装置约重1.07×105kg，体积约大约需甲醇1.7×104kg，加为34m3。如果采用甲醇重整制氢，

上重整装置约重4×103～6×103kg，甲醇重整约耗氧7×103但kg，共约3.0×104kg，总体积大约为30m3。两者体积相当，在质量方面，甲醇制氢优势比较明显。

国内研究甲醇重整制氢装置的单位有中科院大连化学物理研究所、中船总718所和中科院山西煤炭化学研究所等。中国科学院大连化学物理研究所成功研发了“75kW级甲醇重整氢源燃料电池系统”，实现了系统长时间稳定发电。在历时甲3h的联合运行过程中，燃料电池以甲醇重整气作为燃料，醇重整氢源系统稳定供氢70.5Nm3/h，重整气中H2含量53％(体积分数)，CO含量稳定在2.0×10－5左右[7]。中科院山西煤炭化学研究所开发的“甲醇重整制氢技术”已投入生产实际批量化生应用，目前最大规模为360Nm3/h，并实现了系列化、产。江苏某公司研制成功了10kW甲醇制氢系统(图4)，其采微流道高效氢气纯化器等新技术，可以用微结构甲醇重整器、使能源密度提高4倍以上。

2结论

通过以上分析，甲醇重整制氢技术比金属氢化物储氢技术具有明显的优势：(1)比能量高，且甲醇重整制氢装置比金属储氢装置质量轻约70%，这对于提升潜艇续航力有重要的战储存、补充方便;(3)安全可靠性高;(4)工业技术略意义;(2)运输、成熟，成本低。

甲醇重整制氢是综上所述，在潜艇用制氢和储氢技术上，未来燃料电池AIP潜艇氢源的发展方向，建议优先发展甲醇重整制氢，可有效推动燃料电池AIP常规潜艇的发展。

参考文献：

[1][2][3][4]

图4

10kW甲醇制氢系统样机

[5]

[6]

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但甲醇重整制氢也带来了废气排放问题，如甲醇重整制氢所产生的混合气中，70%～75%为氢气，15%～20%为CO2，还有少量CO，其他为水蒸气。初步计算，300kW级燃料电池需要系统采用甲醇制氢技术，每小时约有180kg的CO2排出，4.5×104kg的海水进行吸收，如何进行尾气处理将直接影响到常规潜艇的隐身性。

(上接第1604页)

[7]

电池组温度均匀性有所改善。

电池(3)在车速不变的情况下，随着外部辐射温度的上升，最大温差几乎不变；随着进气温度的上最高温度呈线性上升，

考虑热辐射后电池最高温度上升幅度减小，最大温差略有升，减小。

电池组仅靠自身发热温度依然较(4)当进气温度较低时，

考虑辐射后电池组温度将达到理想的工作范围内，此时热低，

辐射是对电池组是有利的。当进气温度较高时，电池组靠自身发热温度就很高，考虑热辐射后电池组温度会超出理想的工这将影响电池的性能和安全，所以设计有效的电池组作范围，

热管理系统是十分必要的。

[2][3][4][5][6][7]

参考文献：

[1]

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