電動車動力鋰電池系統強制風冷散熱特性研究

0 引言

隨著世界范圍內的經濟迅速發展，能源短缺日益嚴峻。同時傳統燃油車產生的污染物嚴重影響著人類的生活，電動汽車成為了解決該問題的最佳選擇，作為電動汽車核心部件的動力電池備受關注。使車用鋰離子動力電池系統在一個合適的溫度范圍內工作能有效影響車輛的續航能力和經濟性。車用鋰離子動力電池系統配備良好的散熱管理系統，可有效降低車用鋰離子動力電池熱失控的幾率。車用鋰離子動力電池系統強制風冷散熱方式具有結構簡單、成本較低、質量輕巧且無有害氣體積壓等優點，但如何合理設計鋰離子動力電池排布結構、通風渠道種類和入口空氣流量等參數是提高車用鋰離子動力電池系統散熱能力的首要關鍵科學問題。

1 動力電池熱管理必要性

對于純電動汽車和混合電動汽車，電池的性能很大程度的影響車輛的各項性能。為了在一年四季都能盡可能的穩定運行，電池包的熱管理在設計之初便是十分重要的。電動汽車的性能，壽命和成本無疑都與電池的性能息息相關。在充電的過程中，電池的溫度一定程度上會影響電池的壽命、充電電壓及充電接受能力，從而影響車輛的續航能力和經濟性。不同種類電池的理想運行溫度區間是不同的。一般來說，電池的最佳運行溫度區間會比車輛的指定運行區間窄很多。比如對一般的酸性蓄電池而言，設計溫度區間是25℃-45℃，而車輛的運行溫度區間是-30℃-60℃。而對于鋰離子電池而言，最佳運行溫度區間為15℃-35℃。基于電池有限的耐溫性和相對來說并不是特別穩定的化學特性，一旦電池的工作溫度處于極高或極低中時，容易爆發危險事故。

除了要考慮電池包的整體溫度之外，電池包內部的溫度不均勻性也需納入考慮的范圍。各個電池單體之間溫度的變化會導致各電池單體的充放電性能有所不同，從而導致各單體甚至是鋰離子電池的溫度電池包的電失衡。對于一些高溫電池，如鋰金屬聚合物電池，在制造之初設計者們就需要考慮電池包內部的電池熱管理。

最后將雙重鎖頻應用于一個小型化集成光波導陀螺樣機內,進行了3 600 s的長時間測試。測試結果如圖8所示。其中圖8(a)顯示了陀螺在室溫環境下進行的3 600 s的長時間零偏穩定性測試,圖8(b)顯示了在積分時間3.5 s時,得到其Allen方差為26.6 °/h的長期零偏穩定性。

20世紀初，美國可再生能源實驗室與美國汽車制造中心及來自新一代汽車項目（PNGV）的電池包供應商合作研究解決混合動力汽車運行中電池包的熱管理問題。傳熱機理、流體流動準則、有限元熱分析以及實驗均被用來評價電池包的設計。熱成像技術和電池測熱法均被用于測量和評估電池單體以及電池包內電池的熱特性。研究者們通過實驗的方法進行研究發現電池在工作時，其內部產生的化學熱和焦耳熱均會使得電池本身的溫度升高，而當電池沒有得到較好的散熱而長期處于高溫狀態下時，電池材料會加速老化進而影響到電池的壽命。Yang和Guo等人通過對比單體在不同溫度下運行，在經過多次循環充放電工作后，發現電池的容量隨著溫度的升高而依次降低。

如前所述，小學數學教授的，并非高深的數學分支或數學前沿，而是千百年前建立的古老的數學分支，是數學與科學大廈的基石.故其內容與方法的穩定是理所當然的.某些增刪或改進或許必要；但數學教育衰敗的現實說明，大幅度的變動甚至推倒重來肯定出亂子，不可避免地拖垮了數學教育.

為讓電池包溫度盡可能的均勻分布，且盡可能的減少單體電池之間的溫差，一個有效且滿足車輛的制造要求：即緊湊化、輕量化、成本低、易組裝，同時具備高的可靠性和平衡性的電池熱管理系統是十分有必要的。

國內的一些研究工作者們也通過實驗、數值模擬的方法對電池的熱失控的誘發因素以及不同循環周期、放電倍率下的電池熱失控進行了研究。單體電池的熱失控往往會在實際的工況下誘發整個電池包的熱失控，而Yuksel等人通過對電池添加風冷散熱之后發現電池的壽命得到了提高。

強制風冷主要是有兩種通風方式，即串行通風與并行通風，如圖1所示。

此外，過量灌溉還會造成嚴重的農田污染問題，如在內蒙古包頭市達茂旗百靈廟鎮，40米井水的硝態氮為180ppm，內蒙古烏蘭察布市察右后旗烏蘭哈達鄉，40米井水硝態氮160ppm。120米深井水硝態氮38ppm。所以過量灌溉會導致地下水受到嚴重的污染。以色列在提高水的利用率方面做得很好，利用水分監控技術，在田間埋設自動化水分監督裝備，如張力計，將數據傳到手機和電腦上，可以自動化的管理田間的水分。

2 風冷式電池熱管理系統

根據專業人員的建模仿真分析可知，電池組風冷散熱效果影響的主要因素包括進出風的角度及電池的間距。如圖3所示，α為進氣角度，其底部進風區域進風端尺寸不變，通過改變進風區域末端尺寸A的大小來實現對進風角度的改變。電池箱出風角度為β，其頂部出風區域左側高度不變，通過改變右側出口端尺寸B的大小實現對出風角度β的改變。電池間距就是空氣在電池箱內流通的長度，將該長度按等差遞減方式排列，其公差值為C，保持電池箱總長度L為常數，可以通過改變C值的大小來改變電池間距。

保持電池組的出風角度與電池之間的距離不變（B=20mm，C=0mm），A值分別取3、5、8、9、10、15、20，通過實驗計算得到7個模型的電池組最高溫度與A值變化的關系曲線，如圖4所示。當A值為8mm時，可以發現電池組的高溫度和溫差均較低。隨著A值增大，電池箱內空氣流速降低，電池溫度升高。當A值小于8，電池箱內進風區空間狹小，這使得電池箱內2～4號通道內的空氣流速降低，電池溫度升高。所以當尺寸A為8時，電池組的最高溫度和溫差均較低，電池組風冷散熱系統性能最好。

2.1 通風方式

熱管理系統需要能夠在低功率的條件下讓電池包在寬的溫度范圍里工作，并且為潛在的有害氣體提供通風設備。目前常用的主流熱管理方式有：①用空氣來加熱/冷卻/通風；②用液體來加熱/冷卻；③利用儲熱材料如相變材料來散熱，或者用兩種或多種方法結合在一起來設計電池熱管理系統。

串行通風，就是風機從電池組的進風口一端抽取空氣然后從另一端的出風口排出空氣，流經電池后，空氣的溫度會逐漸上升，空氣溫度與電池的表面溫度差就逐漸減小，距離進風口位置最近的電池溫度是最低，距離出風口位置最近的電池溫度最高。電池組溫度分布不均，嚴重影響電池的工作性能，因此現在基本不采用這種方式。

并行通風，這種進風方式中的氣流均為直立上升，這就可以保證當氣流流經電池表面后，每塊電池溫度降低的數值一樣。并行通風可以使得電池組的溫度相對均勻，電池組的工作性能更優異，在熱管理系統中更被青睞。

在實際操作過程中，電池組的進風口與出風口一般都會安裝有風機，進風口風機輸送新風，出風口風機向外排放高溫氣流。并且在應用中在實際工程中，可可以通過調節進風口角度α與出風口角度β，來改變電池表面與空氣的接觸面積及空氣流速，從而更好的實現降溫性能。

2.2 散熱結構

空氣冷卻主要分為主動式與被動式兩種，被動方式又可以根據空氣的來源，分為外界空氣通風被動式與乘客艙空氣通風被動式，如圖2所示，其中a的空氣來自外部對電池組進行散熱，然后廢氣被風機抽離電池箱；b的空氣來自于乘客艙對電池組直接進行散熱，廢氣經處理后大部分被抽離電池箱，一小部分回流到電池箱被再利用；經處理后的風大部分直接排到外界，有部分風回流到電池包內進行了二次利用；c為主動式冷卻，這種方式是全封閉式冷卻系統，空氣來自于乘客艙，對對電池進行散熱處理后一部分排出電池箱一部分被輸送到車輛散熱器進行再利用，該種散熱方式被廣泛的應用。

3 鋰電池強制風冷散熱特性分析

風冷方式具有結構簡單，重量小，可以有效排除電池在工作過程中產生的有害氣體，成本較低，易于維護等特點。故強制風冷可以廣泛應用于電池熱管理系統中。

3.1 入口角度對電池組冷卻性能的影響

電力安全工器具的管理需要資金和人員的投入的，對安全工器具管理資金投入很少的時候，就會使得安全工器具的存放環境得不到保障，安全工器具管理室、有干燥功能的存放柜等存放設施等配置不到位；要對電力安全工器具的功能、特性等十分的了解，這樣才會更好的管理安全工器具，但是在人員的配置上不是很合理，其知識、能力有限，往往難以滿足電力安全工器具管理的要求。

熱量的堆積不僅僅會影響電池的壽命等因素，還會誘發更嚴重的熱失控。

3.2 出口角度對電池組冷卻性能的影響

保持電池箱進風角度和電池間距不變，尺寸B的值分別取20、25、28、30、35、40，通過實驗計算得到7個模型的電池組最高溫度與B值變化的關系曲線，如圖5所示。當尺寸B為30mm時，可以看到電池組最高溫度與電池組溫差均為最低。當B值增大，隨著尺寸B的增大，出風口位置的電池溫度增高。出風角度加大，遠離進氣口的電池通道氣流增加，電池間的空氣流通更均勻。當出風角度增大到一定值時，更多空氣流入遠離空氣進出風口一側的流道內，此時進出風口一側的流道內空氣的流速降低，電池組最高溫度出現在9，10號電池處。

3.3 電池間距的影響

保持電池箱進風角度和出風角度不變，公差值C分別取離散值0（初始值）、0.2、0.5.0.8mm，并建立相應的仿真模型，計算得到4個模型的電池組最高溫度和溫差與公差值C的關系曲線，如圖6所示。當公差值C值為0.5時，電池組的最高溫度和溫差均較低，電池組散熱效果較好。因為隨著公差值C的增大，1-5號流道的間距不斷變大，流入的空氣流量不斷增多，空氣流速不斷增大，而6-10號電池間距逐漸減小，空氣流速不斷降低。當公差值C值為0.5時，電池組各流道內流速均勻性最好。

③飲食指導：由研究人員結合孕婦的具體情況（孕周、體重指數、血糖控制情況）來制定科學的營養食譜，總熱量攝入參考患者的BMI和孕期，在熱量攝入分配上，以碳水化合物為主，糖、蛋白質、脂肪三大營養素功能比為（50%～70%、15%～20%和 20%～30%），在食物的選擇上，主食選取富含纖維素的食物或全谷類食物、推薦雜糧飯為主的主食[2]，多食用蔬菜和水果，水果應選擇低糖分水果如黃瓜、西紅柿、柚子、櫻桃等，適當選擇魚肉、蛋奶、瘦肉、豆制品，滿足蛋白質和脂肪攝入，嚴格限制精糖、燒烤、腌制、熏制食物及甜品的攝入等。提倡少食多餐，在三餐之外合理加2～3餐，但維持總攝入量不變。

通過上面的分析可知A、B、C的最優分別為8、30、0.5。然后選取改組數據進行模型仿真模擬與初始模型相比最高溫度與溫差均有明顯降低，電池組的溫度分布相對較均勻。

地理國情要素和地表覆蓋數據雖屬2類成果，但它們之間存在必然的邏輯關系。例如，地理國情要素中的道路中心線應位于地表覆蓋道路圖斑面內，地理國情要素中水域的高水界應大于地表圖斑中水面的范圍，地理國情要素中單位院落的點位應位于地表覆蓋數據中房屋建筑的范圍內等。在檢查中，經常發現在此類要素中會出現邏輯約束關系不合理現象。作業時，應重點關注此類要素的聯動更新問題，切勿顧此失彼。

4 結束語

對于電動汽車鋰子電池組散熱結構分析，有利于改善電池組散熱效果，提高電池組溫度均勻性，保障電池組使用壽命及性能，提高電動汽車的可靠性與安全性。本文分析了電動汽車強制風冷散熱系統的結構，通過單因素變量分析法，利用仿真技術對影響電池組風冷散熱效果的進風角度、出風角度和電池間距的因素進行仿真分析，仿真結果可以提高電池組的散熱性能及溫度均勻性，確保電動汽在實用中鋰子電池組具有高效散熱性能。

[1]葛子敬.電動汽車磷酸鐵鋰電池組風冷散熱系統研究[D].廣州：華南理工大學，2016.

[2]李淼林，臧孟炎，謝金紅，李長玉，程清偉.鋰離子電池組風冷散熱仿真與優化[J].電源技術，2019，43（11）：1805-1809.

[3]葛子敬，臧孟炎，葉鵬，謝金紅.電動汽車鋰離子電池組風冷散熱仿真分析[J].機械設計與制造工程，2015，44（10）：24-28.

[4]金鈺.車用鋰離子動力電池系統強制風冷散熱特性研究[D].湖南大學，2018.

[5]王天波，陳茜，張蘭春，貝紹軼.電動汽車鋰離子電池風冷散熱結構優化設計[J].電源技術，2020，44（03）：371-376.

[6]孫建.電池組散熱結構優化探析[J].科技創新導報，2019，16（17）：92，94.