48V启停用镍氢电池包设计与分析

谢世坤，郭军团，徐国昌，张庭芳

48V启停用镍氢电池包设计与分析

*谢世坤1,3，*郭军团2，徐国昌2，张庭芳4

（1.井冈山大学机电工程学院，江西，吉安 343009；2.湖南科霸汽车动力电池有限责任公司，湖南，长沙 410205；3. 吉安市轻合金材料重点实验室，江西，吉安 343009；4.南昌大学机电工程学院，江西，南昌 330001）

镍氢电池具有良好的大倍率放电性能，广泛应用于乘用车的高压混动系统中，但在低压轻混系统中的应用研究较少。本研究以某款车型用的48V启停用镍氢电池包为研究对象，该电池包以相变材料为传热载体，为分析此方法的可行性，通过ANSYS-FLUENT软件，模拟分析不同工况下的电池温升情况，并通过实验进行测试验证，为镍氢电池在启停领域的产品开发积累数据经验。

镍氢电池；电池包；仿真分析；启停；相变材料

0 引言

近年来气候的变化日益受到关注，人们的环保意识也在逐步提高，越来越多的人开始呼吁降低汽车尾气的排放[1]。国内各整车和零部件供应商都在依托先进的技术，寻求解决节能方案。在目前推广的方案中，48V低混电池系统被认为是性价比较高、技术较成熟、安全性较好的有效解决方案，受到行业内的广泛关注[2]。

48V电池系统主要用于轻混的怠速启停，在功能上均需提供启动发动机所需的大电流，且要提供发动机停止后的其他车内用电，不仅需要具备瞬间大倍率放电和大的放电深度的性能[1]，且电池要保证能在不同温度条件下正常使用。镍氢电池具备高倍率、宽温域、长寿命的特性，适合轻混工况。

本研究主要针对轻混启停瞬间的不同工况进行分析、判断，研究其电池包发热情况，为实际装车验证提供判定依据。

1 48V启停电池包设计

1.1 整体设计方案

48V启停电池包主要作用是给车辆启动的瞬间提供动力，代替原有铅酸电池，并能够回收车辆的冗余能量，因此对电池包的体积和功率密度要求极高。本研究所涉及的某款车型用镍氢电池包，将电池模组及控制单元进行高度集成。其主要设计结构由后盖板、外壳、电池模组、控制系统、前盖板以及固定螺丝等辅件组成，考虑到散热等情况，外壳采用铝合金材质，且内部有导热介质（相变材料），产品结构如图1所示。

图1 电池包结构简图

1.2 电池模组设计方案

电池模组的设计，一方面需要考虑电池的固定和连接，另一方面还需要考虑电池的散热以及连接处的载流能力。按照项目输入条件，初步设计的电池模组由固定支架，相变散热支架，连接片等组成，结构示意如图2所示。

图2 电池模组爆炸图

2 电池包仿真分析

2.1 仿真工况

依据实际可能使用到的充电和放电工况，按照表1所示的工况进行仿真，环境温度25 ℃，90% DOD，25C倍率。

表1 模拟工况表

2.2 求解方法

使用ANSYS-FLUENT的瞬态仿真分析方法，并采用外部自然冷却对流换热的方式。

2.3 求解理论

流体流动要受到物理守恒定律的制约，守恒方程包括：质量守恒、动量守恒、能量守恒等三个方程。控制方程是对这些定律的数学描述。

1）质量守恒方程

任何形式的流动问题都应当满足质量守恒定律。该定律可描述为：单位时间内通过流体微元中增加的质量，等于在同一时间间隔内流入该微元体的净质量。依照此定律，可以得出质量守恒方程[3]。

式中：

2）动量守恒方程

动量守恒方程也是任何流体必须遵循的基本守恒定律。该方程可表述为：微元体中的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各力之和。按照这一定律可以得到动量守恒方程[3]：

式中：

T —时间（s）；

S（=1,2,3）—源项（N/m3）。

3）能量守恒方程

包含有热交换的流动必须满足能量守恒方程。该方程可表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热量加上体力与面力对微元体所作的功。这样可以得到能量守恒方程[3]：

式中：

C—比热容（J/kg·K）；

—温度（K）；

—流体的传热系数（W/（m2·K））；

S—粘性耗散项（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，以便于对各控制方程进行分析和用统一程序进行求解[3]。

式中：

—广义源项。

在普通的流体计算中若不涉及能量的变化，则只需求解质量守恒方程和动量守恒方程即可，但本研究涉及温度能量变化，因此也会求解能量守恒方程。

2.4 模型简化及网格处理

使用ANSYS-FLUNET软件简化设计模型，简化后的模型如图3所示。

图3 电池包简化模型

2.5 边界条件设置

固体材料的物性如表2所示。

表2 固体材料物性

计算的环境工况定义如表3所示。

表3 环境工况列表

按照以上参数在软件中进行设置，并提交进行仿真计算。

3 仿真结果

统计各工况下电芯的温度数值，如表4所示。

表4 电芯的温度数据统计

电池包放电和充电温度云图，分别如图4和图5所示。

从以上温度云图可看出，在相变材料包裹的区域电池温度和钣金件外壳均较低，分析主要原因是由于相变材料具有较高的蓄热能力，电池产生的热量被吸收，但因为导热系数较低，使较短时间内吸收的热量无法传递到外壳。

实际使用中，由于产品在使用时工况放电时间较短，电池温升很小，因此此方案具有可行性。

4 实验测试

依以上仿真结果，且因实际产品只能采集一个温度，所以实际产品的温度采集点定在中间位置。完成产品细化设计并做样品进行测试，测试装置如图6所示。

图6 现场测试图

环境温度23 ℃，放电电流25 C，按照表1所示的仿真工况进行充放电测试，采集温度数据与仿真数据对比如表5所示。（温度传感器采集温度为整数）

表5 电芯的温度数据对比

实测温升数据与仿真结果基本一致，可满足启停工况的使用。

5 结论

镍氢电池具备高倍率放电性能，在进行pack系统设计时，可根据其发热特性和实际工况选择适合的散热方式。本研究针对启停用的系统，通过模拟仿真和实验测试，不同工况下的电池温升小，证实镍氢电池可满足研究中不同工况下的使用要求。

[1] 刘小峰.怠速启停微混车用AGM电池[J].新餐料产业,2014(10):17-19.

[2] 樊彬,韩丽穷,王芳.汽车48V电池系统性能评价及标准适用性分析[J].客车技术与研究,2018,40(2):55-58.

[3] 宜凯.非金属管道的介质相容性及表面结蜡分离的实验研究[D]:西安:西安石油大学,2019.

[4] 徐长成,陈念,程聪,等.48V启停电池路况测试散热性仿真研究[C].中国电力学会产学研工作委员会会议论文集,2019:84-87.

[5]常国峰,陈磊涛,许思传,等.镍氢电池热管理系统结构优化设计[J].同济大学学报:自然科学版,2009,37(11):1518-1520.

[6] 陈明华,包海涛.基于FLUENT电动汽车镍氢电池风冷流场的研究[J].淮阴工学院学报,2009,18(5):82-84.

[7] 郭军团,谢世坤,张庭芳.镍氢电池包风冷散热结构的设计及优化[J].井冈山大学学报:自然科学版,2022,43 (6): 76-80.

[8] 聂家鹏,彭承荣,刘典.汽车启停系统及启停电池的应用研究[J].机械制造,2019,57(5):10-12,21.

[9] 吴勇,檀生辉,伍旭东,等. 基于Fluent的汽车动力电池风冷散热分析[J].汽车实用技术,2022,47(12):11-16.

[10] 郭军团,谢世坤,徐国昌,等. 圆柱型Ni-MH电池包浸液冷却设计及分析[J].井冈山大学学报:自然科学版, 2021,42(6): 69-73,87.

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

国家自然科学基金项目(51762022）；江西省自然科学基金项目(20181BAB206028)；江西省教育厅科技计划项目(GJJ2201606)；吉安市重大科技专项(吉财教指[2020]83号）

*谢世坤(1973-)，男，江西吉安人，教授，博士，硕士生导师，主要从事材料成型工艺控制研究(E-mail:xskun@163.com)；*郭军团(1984-)，男，河北饶阳人，工程师，硕士，主要从事镍氢动力电池Pack及其系统的研究(E-mail: guojuntuan1984@163.com).