电池组空气冷却技术研究

阳斌，夏顺礼，赵久志，张宝鑫，宋军，王诗铭

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心新能源汽车研究院，安徽 合肥 230601）

电池组空气冷却技术研究

阳斌，夏顺礼，赵久志，张宝鑫，宋军，王诗铭

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心新能源汽车研究院，安徽 合肥 230601）

高效的电池热管理系统能够为电池组提供舒适的工作温度范围，对于保证电池的电化学性能、一致性和安全性具有重要的作用，因此是新能源汽车发展的关键技术。文章重点首先空冷技术为研究对象，分析空冷技术类别、建立强迫空冷四大模型、提出空冷关键技术与设计原则，然后建立空冷设计模型，最后以某混合动力汽车为实例对空冷技术应用进一步研究。

电池组；热管理系统；空气冷却；关键技术

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

车辆运行工况复杂，电池在不同环境、不同温度和不同倍率下放电，产生大量热量，由于时间积累且壳体散热面积小，热量将大量积聚，导致电池组运行环境恶化，严重影响电池组的电化学性能、循环寿命、安全性和使用可靠性；局部热量积聚，影响电池温度一致性。

高效的电池热管理系统（battery thermal management system简称BTMs）不仅能够使电动车电池组工作处于合理的温度的工作区间，降低热失控发生概率和波及范围。因而，当电池组的工作温度超过合适温度需要对电池进行散热，保证电池组温度场分布均匀[1]。在国外，20世纪80年代伴随着镍氢电池及锂离子电池的发展，电池热管理相关工作开始展开；在国内，“电池热管理”一词最早由张国庆博士在20世纪90年代中后期提出[2][3]。近年来，随着电动汽车的快速发展和动力电池的大尺寸和模块化，电池散热问题日益突出，电池热管理技术受到高度重视。下文将对空气冷却关键技术展开研究。

1、 空气冷却技术

1.1 自然空冷

自然空冷是没有外界驱动力但流体依然存在运动的情况，引起流体这种运动的内在力量是温度差或者（组分的）浓度差。

自然空冷换热的准则方程：

式中：Nu：努谢尔特数，Ra：瑞利数，系数C、指数n：由冷却表面形状与位置、Ra范围确定。

1.2 强迫空冷

强迫空冷是空气由机械作用所引起的被迫对流。

表1 强迫空冷准则方程

1.3 强迫空冷模型

由于电芯选型及电池组空间结构不同，电池组成组结构也不一样。针对不同的电池组的热管理方式差异化明显。通过比较当前国内外主流的纯电电动、增程式电动车、重度混合动力车的热管理空冷方案类型，基本可建立以下五种强迫空冷热管理基础模型。

1.4 空冷技术应用分类

通过分析强迫空冷的四个模型同时结合自然空冷在主流汽车厂家的应用，可将目前电池热管理空冷技术归纳为表2：

表2 电池热管理主流空冷技术

其中，方式1、2、3、4是现有成熟商用、乘用电动车、混合动力轿车的主要空冷方式。但随着电动车的进一步发展，电池热管理要求进一步提高，与整车冷却系统一体化设计进一步加强，现在方式5和方式6的研究逐渐深入，并将成为下一代空冷技术主流。

2、空冷关键技术

2.1 空冷设计

在热设计之前，先了解设计有关技术要求、冷却功率、电池组工作环境要求等数据。通过计算表面散热功率系数和体积发热功率系数，从而确定散热方式。

2.2.1 热流密度计算

通过变形牛顿冷却公式可获得热流密度φ的计算公式：

式中：h为对流换热系数，W/（m2℃）

tw热表面温度，℃

tf冷却流体温度，℃

自然空冷换热换热系数处于2.8～5.7W/(m2*K)，表面热流密度在换热表面与空气的温差为40℃时为0.024～0.064W/cm2之间；

当表面热流密度在换热表面与空气的额温差为40℃时为0.1～0.7W/cm2时可选择强迫空冷。

2.1.2 风扇选型原则

直流风扇由离心风扇与轴流风扇之分，离心风扇和轴流风扇在不同环境下使用将获得最优的性能。在电池组内部设计空冷系统，特别地结合系统风阻及风扇排布要求进行风扇选型。

a）离心风扇风压大，风量小；轴流风扇风量大，风压小；

b）鼓风与抽风各有优点，在电池组内可单独使用亦可组合使用

c）抽风与鼓风所需风量需等于电芯与电连接所需风量之总和

d）风量满足要求，风压小于风道阻力时，风扇串联使用

e）风压满足要求，风量不能满足时，风扇并联使用

f）对抽风的冷却效果比吹风形式好

2.1.3 风扇选型计算

a）风量计算：

式中：Q：风量（m3/min）；

ΔT：容许温度上升值（℃）；

W：发热量（KW）

b）电池发热量计算：

式中：I：放电电流（A）；

R：电池组直流内阻值；

λ：加权因子

c）系统阻抗理论计算：

式中：ΔP：下降压力（Pa）；

K：系统固有系数；

n：空气流动所决定的指数（n=1，层流；n=2，紊流）。

在a）b）c）设计确定后，根据风扇的P-Q曲线以及电池组排布特征，选择合适的风扇。

2.1.4 风道设计原则

风道设计需考虑风扇、风阻、弯道、风口位置、气流方式、防尘防水、最大散热面、温度一致性等因素，具体有以下几个方面：

a）电池成组设计以热管理先行，同时模组设计应有利于热对流；

b）减小气流噪声与振动，避免风扇与风管或平面件共振；

c）外循环空冷系统进出风口尽量远离，避免气流短路；

d）内循环只能选择冷却空气重复使用，需仔细安排空气运动路径；

e）外循环空冷系统通风孔需满足安全性、尘和水防护等级要求；

f）外循环空冷系统进风口风道截面积应大于各分支风道截面积之和。

2.1.5 风道串并联模型

目前风道散热通风方式一般有串联和并联两种[4][5]

串联风道结构简单，但存在明显弊端，冷空气从左侧至右温度会逐渐升高，即出现前部加热后部现象

并联风道使空气在各模块单元间均匀分布，确保各通道间空气流量基本一致，从而确保电池组温度分布较为均匀。丰田PRIUS、丰田RAV-4、强迫空冷均采用并联式风道设计[6]

在选择串联或并联方案的同时，重点研究空气是否有效对电芯或模组的最大散热面进行散热，确保电池组内部空气温差控制在5℃以内。

2.2 空冷设计模型

空冷设计首先需研究整车性能要求、电池组性能目标和冷却性能目标，依据电芯本身热性能以及使用环境与工况要求开展空冷设计，在设计过程中通过CFD(计算流体分析)分析和试验验证结果反馈至设计并修改设计模型，最终完成空冷设计。

3、总结

电池热管理空冷技术是当下应用最广的冷却技术，随着科学与技术的进步，空冷技术逐渐从单一的空冷向整车一体化空调空冷转变，逐步研究出直接利用空调提供冷风和采用双蒸系统（前空调为前蒸系统，电池制冷为后蒸系统）同时为乘员以及电池制冷的多种方案。

目前电动车双蒸系统的研究也衍生出两个不同分支，其一为开式系统，蒸发器布置于电池组之外通过管道将冷风送入电池组内部；其二为直接在电池组内部布置蒸发器，通过将冷媒送入电池组内部，利用风扇在电池组内部对蒸发器强制送风并形成内循环。总之，开发高效、性价比更高的电池热管理系统是未来电动汽车发展的重要方向。

[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

阳斌（1982—），男，硕士研究生，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，新能源汽车研究院，主要研究方向为电动汽车电池热管理。