電池組空氣冷卻技術研究

陽斌，夏順禮，趙久志，張寶鑫，宋軍，王詩銘

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

電池組空氣冷卻技術研究

陽斌，夏順禮，趙久志，張寶鑫，宋軍，王詩銘

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

高效的電池熱管理系統能夠為電池組提供舒適的工作溫度范圍，對于保證電池的電化學性能、一致性和安全性具有重要的作用，因此是新能源汽車發展的關鍵技術。文章重點首先空冷技術為研究對象，分析空冷技術類別、建立強迫空冷四大模型、提出空冷關鍵技術與設計原則，然后建立空冷設計模型，最后以某混合動力汽車為實例對空冷技術應用進一步研究。

電池組；熱管理系統；空氣冷卻；關鍵技術

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

車輛運行工況復雜，電池在不同環境、不同溫度和不同倍率下放電，產生大量熱量，由于時間積累且殼體散熱面積小，熱量將大量積聚，導致電池組運行環境惡化，嚴重影響電池組的電化學性能、循環壽命、安全性和使用可靠性；局部熱量積聚，影響電池溫度一致性。

高效的電池熱管理系統（battery thermal management system簡稱BTMs）不僅能夠使電動車電池組工作處于合理的溫度的工作區間，降低熱失控發生概率和波及范圍。因而，當電池組的工作溫度超過合適溫度需要對電池進行散熱，保證電池組溫度場分布均勻[1]。在國外，20世紀80年代伴隨著鎳氫電池及鋰離子電池的發展，電池熱管理相關工作開始展開；在國內，“電池熱管理”一詞最早由張國慶博士在20世紀90年代中后期提出[2][3]。近年來，隨著電動汽車的快速發展和動力電池的大尺寸和模塊化，電池散熱問題日益突出，電池熱管理技術受到高度重視。下文將對空氣冷卻關鍵技術展開研究。

1、 空氣冷卻技術

1.1 自然空冷

自然空冷是沒有外界驅動力但流體依然存在運動的情況，引起流體這種運動的內在力量是溫度差或者（組分的）濃度差。

自然空冷換熱的準則方程：

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

1.2 強迫空冷

強迫空冷是空氣由機械作用所引起的被迫對流。

表1 強迫空冷準則方程

1.3 強迫空冷模型

由于電芯選型及電池組空間結構不同，電池組成組結構也不一樣。針對不同的電池組的熱管理方式差異化明顯。通過比較當前國內外主流的純電電動、增程式電動車、重度混合動力車的熱管理空冷方案類型，基本可建立以下五種強迫空冷熱管理基礎模型。

1.4 空冷技術應用分類

通過分析強迫空冷的四個模型同時結合自然空冷在主流汽車廠家的應用，可將目前電池熱管理空冷技術歸納為表2：

表2 電池熱管理主流空冷技術

其中，方式1、2、3、4是現有成熟商用、乘用電動車、混合動力轎車的主要空冷方式。但隨著電動車的進一步發展，電池熱管理要求進一步提高，與整車冷卻系統一體化設計進一步加強，現在方式5和方式6的研究逐漸深入，并將成為下一代空冷技術主流。

2、空冷關鍵技術

2.1 空冷設計

在熱設計之前，先了解設計有關技術要求、冷卻功率、電池組工作環境要求等數據。通過計算表面散熱功率系數和體積發熱功率系數，從而確定散熱方式。

2.2.1 熱流密度計算

通過變形牛頓冷卻公式可獲得熱流密度φ的計算公式：

式中：h為對流換熱系數，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℃時為0.024～0.064W/cm2之間；

當表面熱流密度在換熱表面與空氣的額溫差為40℃時為0.1～0.7W/cm2時可選擇強迫空冷。

2.1.2 風扇選型原則

直流風扇由離心風扇與軸流風扇之分，離心風扇和軸流風扇在不同環境下使用將獲得最優的性能。在電池組內部設計空冷系統，特別地結合系統風阻及風扇排布要求進行風扇選型。

a）離心風扇風壓大，風量小；軸流風扇風量大，風壓小；

b）鼓風與抽風各有優點，在電池組內可單獨使用亦可組合使用

c）抽風與鼓風所需風量需等于電芯與電連接所需風量之總和

d）風量滿足要求，風壓小于風道阻力時，風扇串聯使用

e）風壓滿足要求，風量不能滿足時，風扇并聯使用

f）對抽風的冷卻效果比吹風形式好

2.1.3 風扇選型計算

a）風量計算：

式中：Q：風量（m3/min）；

ΔT：容許溫度上升值（℃）；

W：發熱量（KW）

b）電池發熱量計算：

式中：I：放電電流（A）；

R：電池組直流內阻值；

λ：加權因子

c）系統阻抗理論計算：

式中：ΔP：下降壓力（Pa）；

K：系統固有系數；

n：空氣流動所決定的指數（n=1，層流；n=2，紊流）。

在a）b）c）設計確定后，根據風扇的P-Q曲線以及電池組排布特征，選擇合適的風扇。

2.1.4 風道設計原則

風道設計需考慮風扇、風阻、彎道、風口位置、氣流方式、防塵防水、最大散熱面、溫度一致性等因素，具體有以下幾個方面：

a）電池成組設計以熱管理先行，同時模組設計應有利于熱對流；

b）減小氣流噪聲與振動，避免風扇與風管或平面件共振；

c）外循環空冷系統進出風口盡量遠離，避免氣流短路；

d）內循環只能選擇冷卻空氣重復使用，需仔細安排空氣運動路徑；

e）外循環空冷系統通風孔需滿足安全性、塵和水防護等級要求；

f）外循環空冷系統進風口風道截面積應大于各分支風道截面積之和。

2.1.5 風道串并聯模型

目前風道散熱通風方式一般有串聯和并聯兩種[4][5]

串聯風道結構簡單，但存在明顯弊端，冷空氣從左側至右溫度會逐漸升高，即出現前部加熱后部現象

并聯風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、強迫空冷均采用并聯式風道設計[6]

在選擇串聯或并聯方案的同時，重點研究空氣是否有效對電芯或模組的最大散熱面進行散熱，確保電池組內部空氣溫差控制在5℃以內。

2.2 空冷設計模型

空冷設計首先需研究整車性能要求、電池組性能目標和冷卻性能目標，依據電芯本身熱性能以及使用環境與工況要求開展空冷設計，在設計過程中通過CFD(計算流體分析)分析和試驗驗證結果反饋至設計并修改設計模型，最終完成空冷設計。

3、總結

電池熱管理空冷技術是當下應用最廣的冷卻技術，隨著科學與技術的進步，空冷技術逐漸從單一的空冷向整車一體化空調空冷轉變，逐步研究出直接利用空調提供冷風和采用雙蒸系統（前空調為前蒸系統，電池制冷為后蒸系統）同時為乘員以及電池制冷的多種方案。

目前電動車雙蒸系統的研究也衍生出兩個不同分支，其一為開式系統，蒸發器布置于電池組之外通過管道將冷風送入電池組內部；其二為直接在電池組內部布置蒸發器，通過將冷媒送入電池組內部，利用風扇在電池組內部對蒸發器強制送風并形成內循環。總之，開發高效、性價比更高的電池熱管理系統是未來電動汽車發展的重要方向。

[1] Li Lin. The study of Pure electric vehicle's using lithium battery management system [D]. Beijing: Beijing Jiaotong University.2009.

[2] Zhonghao Rao, Shuangfeng Wang. A review of power battery thermal energy management. Renewable & Sustainable Energy Reviews .2011.15(9):4554-4571.

[3] Zhonghao Rao, Shuangfeng Wang, Guoqing Zhang. Simulation and experiment of thermal energy management with phase change material for ageing LiFePO4 power battery. Energy Conversion and Management. 2011. 52: 3408-3414.

[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.

[5] AHMAD A P, BURCH S, KEYSER M. An approach for designing thermal management systems for electric and hybrid vehicle battery packs[C]// Proceeding of the 4th Vehicle Thermal Management Systems Conference and Exhibition. London,UK: National Renewable Energy Laboratory,1999:1-16.

[6] KENNETH J K, MIHALIE M, ZOLOT M. Battery usage and thermal performance of the Toyota Prius and Honda Insight during chassis dynamometer testing XVⅡ[C], The Seventeenth Annual Battery Conference on Applications and Advances. US: National Renewable Energy Laboratory,2002.

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

陽斌（1982—），男，碩士研究生，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，新能源汽車研究院，主要研究方向為電動汽車電池熱管理。