電池組空氣冷卻技術(shù)研究

陽(yáng)斌，夏順禮，趙久志，張寶鑫，宋軍，王詩(shī)銘

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心新能源汽車(chē)研究院，安徽 合肥 230601）

電池組空氣冷卻技術(shù)研究

陽(yáng)斌，夏順禮，趙久志，張寶鑫，宋軍，王詩(shī)銘

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心新能源汽車(chē)研究院，安徽 合肥 230601）

高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能夠?yàn)殡姵亟M提供舒適的工作溫度范圍，對(duì)于保證電池的電化學(xué)性能、一致性和安全性具有重要的作用，因此是新能源汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。文章重點(diǎn)首先空冷技術(shù)為研究對(duì)象，分析空冷技術(shù)類(lèi)別、建立強(qiáng)迫空冷四大模型、提出空冷關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計(jì)原則，然后建立空冷設(shè)計(jì)模型，最后以某混合動(dòng)力汽車(chē)為實(shí)例對(duì)空冷技術(shù)應(yīng)用進(jìn)一步研究。

電池組；熱管理系統(tǒng)；空氣冷卻；關(guān)鍵技術(shù)

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.008

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-24-03

引言

車(chē)輛運(yùn)行工況復(fù)雜，電池在不同環(huán)境、不同溫度和不同倍率下放電，產(chǎn)生大量熱量，由于時(shí)間積累且殼體散熱面積小，熱量將大量積聚，導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境惡化，嚴(yán)重影響電池組的電化學(xué)性能、循環(huán)壽命、安全性和使用可靠性；局部熱量積聚，影響電池溫度一致性。

高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（battery thermal management system簡(jiǎn)稱(chēng)BTMs）不僅能夠使電動(dòng)車(chē)電池組工作處于合理的溫度的工作區(qū)間，降低熱失控發(fā)生概率和波及范圍。因而，當(dāng)電池組的工作溫度超過(guò)合適溫度需要對(duì)電池進(jìn)行散熱，保證電池組溫度場(chǎng)分布均勻[1]。在國(guó)外，20世紀(jì)80年代伴隨著鎳氫電池及鋰離子電池的發(fā)展，電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)工作開(kāi)始展開(kāi)；在國(guó)內(nèi)，“電池?zé)峁芾怼币辉~最早由張國(guó)慶博士在20世紀(jì)90年代中后期提出[2][3]。近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展和動(dòng)力電池的大尺寸和模塊化，電池散熱問(wèn)題日益突出，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)受到高度重視。下文將對(duì)空氣冷卻關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究。

1、 空氣冷卻技術(shù)

1.1 自然空冷

自然空冷是沒(méi)有外界驅(qū)動(dòng)力但流體依然存在運(yùn)動(dòng)的情況，引起流體這種運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在力量是溫度差或者（組分的）濃度差。

自然空冷換熱的準(zhǔn)則方程：

式中：Nu：努謝爾特?cái)?shù)，Ra：瑞利數(shù)，系數(shù)C、指數(shù)n：由冷卻表面形狀與位置、Ra范圍確定。

1.2 強(qiáng)迫空冷

強(qiáng)迫空冷是空氣由機(jī)械作用所引起的被迫對(duì)流。

表1 強(qiáng)迫空冷準(zhǔn)則方程

1.3 強(qiáng)迫空冷模型

由于電芯選型及電池組空間結(jié)構(gòu)不同，電池組成組結(jié)構(gòu)也不一樣。針對(duì)不同的電池組的熱管理方式差異化明顯。通過(guò)比較當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主流的純電電動(dòng)、增程式電動(dòng)車(chē)、重度混合動(dòng)力車(chē)的熱管理空冷方案類(lèi)型，基本可建立以下五種強(qiáng)迫空冷熱管理基礎(chǔ)模型。

1.4 空冷技術(shù)應(yīng)用分類(lèi)

通過(guò)分析強(qiáng)迫空冷的四個(gè)模型同時(shí)結(jié)合自然空冷在主流汽車(chē)廠(chǎng)家的應(yīng)用，可將目前電池?zé)峁芾砜绽浼夹g(shù)歸納為表2：

表2 電池?zé)峁芾碇髁骺绽浼夹g(shù)

其中，方式1、2、3、4是現(xiàn)有成熟商用、乘用電動(dòng)車(chē)、混合動(dòng)力轎車(chē)的主要空冷方式。但隨著電動(dòng)車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展，電池?zé)峁芾硪筮M(jìn)一步提高，與整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)進(jìn)一步加強(qiáng)，現(xiàn)在方式5和方式6的研究逐漸深入，并將成為下一代空冷技術(shù)主流。

2、空冷關(guān)鍵技術(shù)

2.1 空冷設(shè)計(jì)

在熱設(shè)計(jì)之前，先了解設(shè)計(jì)有關(guān)技術(shù)要求、冷卻功率、電池組工作環(huán)境要求等數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算表面散熱功率系數(shù)和體積發(fā)熱功率系數(shù)，從而確定散熱方式。

2.2.1 熱流密度計(jì)算

通過(guò)變形牛頓冷卻公式可獲得熱流密度φ的計(jì)算公式：

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2℃）

tw熱表面溫度，℃

tf冷卻流體溫度，℃

自然空冷換熱換熱系數(shù)處于2.8～5.7W/(m2*K)，表面熱流密度在換熱表面與空氣的溫差為40℃時(shí)為0.024～0.064W/cm2之間；

當(dāng)表面熱流密度在換熱表面與空氣的額溫差為40℃時(shí)為0.1～0.7W/cm2時(shí)可選擇強(qiáng)迫空冷。

2.1.2 風(fēng)扇選型原則

直流風(fēng)扇由離心風(fēng)扇與軸流風(fēng)扇之分，離心風(fēng)扇和軸流風(fēng)扇在不同環(huán)境下使用將獲得最優(yōu)的性能。在電池組內(nèi)部設(shè)計(jì)空冷系統(tǒng)，特別地結(jié)合系統(tǒng)風(fēng)阻及風(fēng)扇排布要求進(jìn)行風(fēng)扇選型。

a）離心風(fēng)扇風(fēng)壓大，風(fēng)量??；軸流風(fēng)扇風(fēng)量大，風(fēng)壓??；

b）鼓風(fēng)與抽風(fēng)各有優(yōu)點(diǎn)，在電池組內(nèi)可單獨(dú)使用亦可組合使用

c）抽風(fēng)與鼓風(fēng)所需風(fēng)量需等于電芯與電連接所需風(fēng)量之總和

d）風(fēng)量滿(mǎn)足要求，風(fēng)壓小于風(fēng)道阻力時(shí)，風(fēng)扇串聯(lián)使用

e）風(fēng)壓滿(mǎn)足要求，風(fēng)量不能滿(mǎn)足時(shí)，風(fēng)扇并聯(lián)使用

f）對(duì)抽風(fēng)的冷卻效果比吹風(fēng)形式好

2.1.3 風(fēng)扇選型計(jì)算

a）風(fēng)量計(jì)算：

式中：Q：風(fēng)量（m3/min）；

ΔT：容許溫度上升值（℃）；

W：發(fā)熱量（KW）

b）電池發(fā)熱量計(jì)算：

式中：I：放電電流（A）；

R：電池組直流內(nèi)阻值；

λ：加權(quán)因子

c）系統(tǒng)阻抗理論計(jì)算：

式中：ΔP：下降壓力（Pa）；

K：系統(tǒng)固有系數(shù)；

n：空氣流動(dòng)所決定的指數(shù)（n=1，層流；n=2，紊流）。

在a）b）c）設(shè)計(jì)確定后，根據(jù)風(fēng)扇的P-Q曲線(xiàn)以及電池組排布特征，選擇合適的風(fēng)扇。

2.1.4 風(fēng)道設(shè)計(jì)原則

風(fēng)道設(shè)計(jì)需考慮風(fēng)扇、風(fēng)阻、彎道、風(fēng)口位置、氣流方式、防塵防水、最大散熱面、溫度一致性等因素，具體有以下幾個(gè)方面：

a）電池成組設(shè)計(jì)以熱管理先行，同時(shí)模組設(shè)計(jì)應(yīng)有利于熱對(duì)流；

b）減小氣流噪聲與振動(dòng)，避免風(fēng)扇與風(fēng)管或平面件共振；

c）外循環(huán)空冷系統(tǒng)進(jìn)出風(fēng)口盡量遠(yuǎn)離，避免氣流短路；

d）內(nèi)循環(huán)只能選擇冷卻空氣重復(fù)使用，需仔細(xì)安排空氣運(yùn)動(dòng)路徑；

e）外循環(huán)空冷系統(tǒng)通風(fēng)孔需滿(mǎn)足安全性、塵和水防護(hù)等級(jí)要求；

f）外循環(huán)空冷系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)道截面積應(yīng)大于各分支風(fēng)道截面積之和。

2.1.5 風(fēng)道串并聯(lián)模型

目前風(fēng)道散熱通風(fēng)方式一般有串聯(lián)和并聯(lián)兩種[4][5]

串聯(lián)風(fēng)道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在明顯弊端，冷空氣從左側(cè)至右溫度會(huì)逐漸升高，即出現(xiàn)前部加熱后部現(xiàn)象

并聯(lián)風(fēng)道使空氣在各模塊單元間均勻分布，確保各通道間空氣流量基本一致，從而確保電池組溫度分布較為均勻。豐田PRIUS、豐田RAV-4、強(qiáng)迫空冷均采用并聯(lián)式風(fēng)道設(shè)計(jì)[6]

在選擇串聯(lián)或并聯(lián)方案的同時(shí)，重點(diǎn)研究空氣是否有效對(duì)電芯或模組的最大散熱面進(jìn)行散熱，確保電池組內(nèi)部空氣溫差控制在5℃以?xún)?nèi)。

2.2 空冷設(shè)計(jì)模型

空冷設(shè)計(jì)首先需研究整車(chē)性能要求、電池組性能目標(biāo)和冷卻性能目標(biāo)，依據(jù)電芯本身熱性能以及使用環(huán)境與工況要求開(kāi)展空冷設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)CFD(計(jì)算流體分析)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果反饋至設(shè)計(jì)并修改設(shè)計(jì)模型，最終完成空冷設(shè)計(jì)。

3、總結(jié)

電池?zé)峁芾砜绽浼夹g(shù)是當(dāng)下應(yīng)用最廣的冷卻技術(shù)，隨著科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步，空冷技術(shù)逐漸從單一的空冷向整車(chē)一體化空調(diào)空冷轉(zhuǎn)變，逐步研究出直接利用空調(diào)提供冷風(fēng)和采用雙蒸系統(tǒng)（前空調(diào)為前蒸系統(tǒng)，電池制冷為后蒸系統(tǒng)）同時(shí)為乘員以及電池制冷的多種方案。

目前電動(dòng)車(chē)雙蒸系統(tǒng)的研究也衍生出兩個(gè)不同分支，其一為開(kāi)式系統(tǒng)，蒸發(fā)器布置于電池組之外通過(guò)管道將冷風(fēng)送入電池組內(nèi)部；其二為直接在電池組內(nèi)部布置蒸發(fā)器，通過(guò)將冷媒送入電池組內(nèi)部，利用風(fēng)扇在電池組內(nèi)部對(duì)蒸發(fā)器強(qiáng)制送風(fēng)并形成內(nèi)循環(huán)?？傊?，開(kāi)發(fā)高效、性?xún)r(jià)比更高的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的重要方向。

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[4] CHEN C C, GIBBARD H F. Thermal management of battery systems for electric vehicles and utility load leveling[C]//Procee -dings of the 14th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. Boston, MA, USA: American Chem Soc, IEEE, American Nuclear Soc,1979:725-729.

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Forced air cooling technology research on battery

Yang Bin, Xia Shunli, Zhao Jiuzhi, Zhang Baoxin, Song Jun, Wang Shiming
( New energy vehicle academy, Technical Center, Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Battery thermal management system(BTMS) can ensure the battery pack in a comfortable environment by tightly structure and efficiency heat dissipation, and it is very important for battery chemistry performance, uniformity and security. Battery thermal management technology is the key role on new energy vehicle. This paper firstly analysis the types of air cooling technology, secondly establish four models on forced air cooling, and then propose the main point and design principle, thirdly establish air-cooling design model. Finally, this paper gives an example of hybrid vehicle for further study.

battery pack; BTMS; air cooling; key technology

U463.6

A

1671-7988(2016)10-24-03

陽(yáng)斌（1982—），男，碩士研究生，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，新能源汽車(chē)研究院，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)電池?zé)峁芾怼?/p>