MH-Ni动力电池散热能力影响因素分析

　　温度对MH-Ni动力电池的性能、安全性和寿命影响显著，温度过高不仅损害MH-Ni电池寿命，还可能引起MH-Ni电池热失控，造成车辆着火甚至影响乘客的人身安全。安全性是电动汽车必须保证的基本要求，因此以MH-Ni电池为动力源的电动汽车必须配音电池热管理系统。MH-Ni电池热管理的效果，一方面受热管理系统设计水平、功能的影响，另一方面和MH-Ni电池本身的散热能力密切相关。

　　电池热模型描述电池生热、传热、散热的规律，能实时计算电池内部温度场的变化。本文建立并运用MH-Ni电池热模型定量分析电池表面对流传热系数、电池单体外壳材料导热系数和外壳材料厚度对MH-Ni电池散热能力的影响。研究工作可为MH-Ni电池散热能力的优化设计提供指导。

　　1研究对象本文以国内某单位研制的电动汽车用80AhMH-Ni电池为研究对象。所示为MH-Ni电池单体和模块，所示基金项目：国家‘十五“863”计划电动汽车重大专项基金资助为电池组建模与管理。

　　为MH-Ni电池单体的结构示意图。所示为配音了热管理系统的电池箱，每个电池箱内装有80个串联的电池单体。表1给出了MH-Ni电池单体的部分参数。

　　测试与分析的典咽值为390W‘/山于电动汽乍电池箱结构比较复杂，对f阁3所小电池箱内的电池单体，本文使川汁兑流体力今方法付电池箝内空气流场进行数坑i丨'：得到Jt表面对流传热系数在宰温及阁3所示电池箱K全开的怙况下'，箅得电池箱内典咽电池中-体矜及闹T-均对流传热系数为05W.’（K）2.4选取生热速率模型学模型描述电池生热情况羌Wfl‘l究利大学Dcmanli提出的Bemardi屮热速韦IM史用为广泛。11乍4：（公司的所示：网格模型MH-Ni电池单NolwruSiHo视出了分阶段的电池Sato生热速中。梭据坫r试验数据比较BemarcJKSato两忡生热速率，发现BCma「di生热率榄适合木义的Mll-Ni电池ft使川Bcmmli生热申时付模进ftf修正具休晚型如取（）。692，fr：电池放电（/，0）时取丨Bernard肀热速牛；税型中W为试验丨己淆的电池T.作电流，丨：作电丨K和平均温度数据，为电池单体开路电汛，平衡电动势的fM度影响系数仙为为MH-Ni电池单体80A恒流充电和放电各测温点的温度变化。图例中，“点1、2充”表示点1和点2温度的平均值。为了方便验证后面电池单体内部温度数值计算结果，的横坐标用时间表示。

　　电池单体的网掐模型采用正六面体网掐和正四面体网掐混合的网掐方案，网掐共67635个。为了提高计算准确性，网掐模型严掐依据电池单体结构与材料。

　　33热模型准确性评价在电池单体的恒流试验中，1C充电时间为2所示为1C恒流充电电池单体点1、点9的计算温度和点1、点8的试验温度。图中还给出了在充电终止时刻点8的计算温度。

　　从1C恒流充电的数值计算结果与试验数据比较来看，在试验结束时刻，各点数值计算结果与试验数据的误差都不超过2C.运用电池模型的计算结果，可以全面给出电池单体内部各截面，各直线区域的温度分布，限于篇幅原因，这里没有一一给出。在其他电流的充放电试验中，对于电池表面可测量的各温度点，在试验进行过程中，测量温度和模型计算温度的误差也都不超过2C，这说明本节使用的MH-Ni电池热模型是较为准确的。

　　4运用热模型分析电池散热能力影响因素从电池设计与电池使用两个方面改进电池散热能力的具体措施有：（1）通过优化热管理系统设计提高电池表面的对流传热系数h；（2）通过改变电池外壳的材料或厚度、优化电池内部的散热结构等减小电池材料的热阻。运用电池热模型可以为上述工作提供量化的依据。本节定量分析电池散热能力的影响因素。在具体分析时使用MH-Ni电池单体1C恒流充电的试验数据，用中线1-2的温度变化描述影响因素的具体影响。

　　41表面对流传热系数的影响分别为5、8.95、25、50W/（m2.K）和390W/（m2.K）五个典型值进行计算。所示为在1C恒流充电2取不同h时电池单体内部线1-2的温度分布。为充电2880s时，电池单体内部的大温度q及线1-2上的大温差Dq.由和可见，提高电池单体的表面对流传热系数，将显著改善电池的散热。在本试验中，与自然对流相比，一般通过电池外壳材料的优化选取提高外壳材料的导热系数1A能够显著改善电池的散热。在本试验中，与外壳材料尼龙66相比，使用不锈钢外壳可使电池高温度降低2.1C，使用黄铜外壳可以使电池高温度降低4.2C.由0也同时了解到，在导热系数1A很小时，电池表面温度与内部高温度的温差较大，如材料为尼龙66时，温差为3.7C.在导热系数较大时，导热系数对电池表面与电池内部高温度点温差影响较小。如在图中外壳材料为不锈钢时温差为2.3C，外壳材料为黄铜时温差为1.9°C.不同h时单体高温度和M大温度差强度的强制风冷使电池高温度降低l.o°c，大强度的强制风冷使电池高温度降低3.8C，油冷使电池高温度降低5.7C，水冷使电池高温度降低9.5C.由同时了解到，对流传热系数h越大，电池表面温度与内部高温度的温差也越局。

　　42外壳材料的影响从传热学来看，改变电池外壳材料的效果就是改变电池外壳材料的导热系数1a.本节选取尼龙66、不锈钢和黄铜三种典型材料分析外壳材料导热系数对电池单体散热能力的影响，对应的导热系数分别为0.35、16.27、121W/（mK）。在计算电池单体内部温度场时，电池单体的表面对流传热系数h取为8.95W/（m2K），电池外壳材料的厚度均为3mm.所示为在1C恒流充电2 880s时，取不同1a时电池单体内部线1-2的温度分布。0为充电2880s时，电池单体内部的大温度q及线1-2上的大温差Dq.由和0可见，4.3单体外壳厚度的影响本节选取三个尺寸分析外壳厚度对电池单体散热能力的影响，材料均取为尼龙66.在计算电池单体内部温度场时，电池单体的表面对流传热系数h取为8.95W/（m2K）。1所示为在1C恒流2880s时，取不同LA时电池单体内部线1-2的温度分布。2为充电2 880s时，电池单体内部的大温度qmax及线1-2上的大温差Dq.分析1和2发现，增大电池外壳厚度后，电池内部温度并不是增大，而是降低了。电池外壳对于电池内部温度场的影响是外壳材料导热系数和比热共同作用的结果，所以分析外壳厚度如何影响电池内部温度场时，要具体问题具体分析。在本试验中，与目前尼龙66外壳3mm的厚度相比，使用1mm的外壳电池使内部高温度增大0.7°C，使用5mm的外壳使电池内部高温度降低0.5°C.改变尼龙66外壳厚度对电池散热能力的影响并不显著。

　　5结论电池表面对流传热系数h和外壳导热系数1A显著影响MH-Ni电池的散热，提高h和1A，可有效改进电池的散热能力。

　　外壳厚度对电池内部温度的影响是外壳材料导热系数和比热共同作用的结果，关于外壳厚度如何影响电池散热能力，与外壳材料有关，要具体问题具体分析。