1. 首頁
  2. 大牛說
  3. 《電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)》連載(六): 電池包強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

《電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)》連載(六): 電池包強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【編者按】《電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)》將于8月份出版,該書是繼《電動汽車動力電池系統(tǒng)安全分析與設(shè)計(jì)》之后系列叢書的第二本專著,由王芳、夏軍等多位專家耗時(shí)一年聯(lián)袂打造,內(nèi)容涵蓋動力電池系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展綜述、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、BMS設(shè)計(jì)、熱管理設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)仿真分析、測試驗(yàn)證,以及生產(chǎn)制造技術(shù),全方位多角度為讀者提供最佳的工程實(shí)踐參考。本文節(jié)選自《電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)》第二章“動力電池系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)”。

第五章:電池包強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一. 強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)

強(qiáng)制風(fēng)冷是通過風(fēng)扇將空氣引入箱體內(nèi)部,空氣在風(fēng)扇的作用下,以一定的流速掠過模組或者電芯的外表面,并將電芯產(chǎn)生的熱量散入到環(huán)境空氣中。強(qiáng)制風(fēng)冷方式常見于早期的純電動乘用車、純電動大巴以及儲能。

強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括風(fēng)道設(shè)計(jì)、風(fēng)扇選型、冷卻空氣溫度選擇、熱流體仿真分析和測試驗(yàn)證等內(nèi)容。

1、風(fēng)道設(shè)計(jì)

對于強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說,風(fēng)道的設(shè)計(jì)是十分關(guān)鍵的。良好的風(fēng)道設(shè)計(jì)不僅可以提高散熱的均勻性,而且還可以降低系統(tǒng)的流動壓降。

從散熱界面來看,強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)的風(fēng)道可以分為電芯間隙風(fēng)冷和電芯底部風(fēng)冷。圖5-14(a)所示的是電芯間隙風(fēng)冷原理圖,冷風(fēng)以一定速率流過電芯間隙并將電芯產(chǎn)生的熱量傳遞到周圍環(huán)境中;圖5-14(b)所示的是電芯底部風(fēng)冷原理圖,電芯產(chǎn)生的熱量先通過導(dǎo)熱的方式傳遞到電芯底部的冷卻風(fēng)道上,然后通過空氣的強(qiáng)制對流換熱將熱量傳遞到周圍環(huán)境中。上述兩種風(fēng)道各有優(yōu)缺點(diǎn):對于電芯間隙風(fēng)冷來說,風(fēng)道的設(shè)計(jì)過程相對來說比較簡單,但系統(tǒng)的流動阻力往往比較大;對于電芯底部風(fēng)冷來說,風(fēng)道比較規(guī)則,因此系統(tǒng)的流動阻力比較小,并且可以在風(fēng)道中設(shè)計(jì)散熱翅片以強(qiáng)化換熱。

blob.png

圖5-14電芯間隙風(fēng)冷和電芯底部風(fēng)冷原理圖

根據(jù)空氣的流動形式可以分為:串行方式和并行方式。串行方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,缺點(diǎn)是散熱均勻性差,且系統(tǒng)流動阻力比較大;相對于串行方式,并行方式的散熱均勻性更好一些,且流動阻力比較小,但并行方式的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,占據(jù)的空間也更大。圖5-15(a)所示的是電芯間隙冷卻情況下串行方式的原理圖,在這種方式下,冷風(fēng)逐一掠過電芯并將電芯的熱量帶走,同時(shí)冷風(fēng)每掠過一個(gè)電芯自身的溫度就會升高,因此這種方式會使電芯間的溫差增大,此外系統(tǒng)的流動阻力也比較大;圖5-15(b)所示的是電芯間隙冷卻情況下的并行方式的原理圖,在這種冷卻方式下,冷風(fēng)并行掠過電芯并將電芯的熱量帶走,因此電芯間的溫差得到了控制,且系統(tǒng)的流動阻力比較小。對于電芯底部冷卻的情況,其串行方式和并行方式也有相同的特點(diǎn),只是情況會稍微簡單一些,在此就不一一說明。

blob.png

圖5-15串行方式和并行方式原理圖

2、風(fēng)扇選型

在強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,除了設(shè)計(jì)冷卻風(fēng)道之外,選擇合適的風(fēng)扇也非常重要。

對于風(fēng)扇的選型,最重要的是所選用的風(fēng)扇必須能夠提供足夠的升力以保證系統(tǒng)有的足夠的冷卻空氣流量。一般情況下,工程師可以借助熱流體仿真分析工具,對冷卻風(fēng)道進(jìn)行流場分布的仿真,并提取出冷卻風(fēng)道的阻力特征曲線,然后將阻力特征曲線與風(fēng)扇的壓力-流量曲線(即P-Q曲線)進(jìn)行對比,并選擇會合適的風(fēng)扇P-Q曲線。

除此之外,風(fēng)扇選型時(shí)還需要考慮如下的因素:用于電池系統(tǒng)的風(fēng)扇通常是直流供電,電壓一般為12V或者24V;根據(jù)運(yùn)行方式,風(fēng)扇可以分為軸流式風(fēng)扇、離心式風(fēng)扇和混流式風(fēng)扇,這三種風(fēng)扇在使用過程中各有利弊,需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇;此外,還需要考慮風(fēng)扇的尺寸、重量、噪音、功耗和成本等因素。

3、冷卻空氣溫度選擇

用于冷卻電池系統(tǒng)的空氣,可以是從環(huán)境中引入的,也可以是經(jīng)過熱交換器冷卻而后引入的。這兩種方式的差別很明顯:第一種方式的成本和能耗較低,但散熱效率也較低;第二種方式的散熱效率相對來說較高,但增加了成本和能耗。就目前的風(fēng)冷應(yīng)用來說,第一種方式主要用于儲能,第二種方式更多地用在純電動乘用車和純電動大巴。

blob.png

圖5-16 第二種方式的工作原理圖

圖5-16所示的是第二種方式的工作原理:環(huán)境中的空氣經(jīng)過整車控制體冷卻之后進(jìn)入乘客艙,隨后通入電池系統(tǒng)對電池包進(jìn)行冷卻,最后通過風(fēng)扇將其排入環(huán)境空氣。

4、熱流體仿真分析

在風(fēng)冷設(shè)計(jì)過程中,風(fēng)道內(nèi)空氣熱場和流場分布、箱體內(nèi)部熱場和流場分布和電芯內(nèi)部的溫度分布都可以通過熱流體仿真分析進(jìn)行模擬,并根據(jù)仿真分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)評估、零部件選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5-17為某風(fēng)冷系統(tǒng)P-Q曲線選型圖,圖中藍(lán)色虛線所示的是根據(jù)冷卻風(fēng)道流場分布仿真結(jié)果提取出來的風(fēng)阻特征曲線,圖中彩色實(shí)線所示的是某風(fēng)扇供應(yīng)商提供的同一系列不同型號風(fēng)扇的P-Q曲線。將風(fēng)阻特征曲線與風(fēng)扇P-Q曲線進(jìn)行對比的結(jié)果顯示:想要給冷卻風(fēng)道提供特定的流量,只有H和V兩種型號的風(fēng)扇才能滿足強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)對風(fēng)扇升力的要求,因此可以根據(jù)實(shí)際情況在H和V型號的兩種風(fēng)扇中選擇其一。

blob.png

圖5-17 風(fēng)扇P-Q曲線選型

5、測試驗(yàn)證

風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后,需要進(jìn)行一系列的測試。這些測試可以歸納為功能性測試、可靠性測試和安全性測試:功能性測試主要是驗(yàn)證電芯的溫升和風(fēng)道內(nèi)部的流速等參數(shù)是否與設(shè)計(jì)相符;可靠性測試主要是驗(yàn)證風(fēng)道、風(fēng)扇和風(fēng)扇控制模塊在電池系統(tǒng)壽命周期內(nèi)是否能夠可靠地運(yùn)行;安全性測試主要是驗(yàn)證風(fēng)冷系統(tǒng)零部件失效時(shí)是否引起安全風(fēng)險(xiǎn)。

通過上述的描述,本節(jié)將強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了一個(gè)簡單的介紹。綜合來看,強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱效果較自然冷卻有明顯的提升,但遠(yuǎn)比不上液冷,此外強(qiáng)制風(fēng)冷的冷卻均勻性也比較差。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來看,強(qiáng)制風(fēng)冷需要設(shè)計(jì)風(fēng)道,增加風(fēng)扇,系統(tǒng)的復(fù)雜程度也比較高,而且加入風(fēng)扇使電池系統(tǒng)的密封性很難兼顧。

作者:蔣碧文

blob.png

來源:第一電動網(wǎng)

作者:捷能科技

本文地址:http://autopag.com/kol/54083

返回第一電動網(wǎng)首頁 >

收藏
61
  • 分享到:
發(fā)表評論
新聞推薦
大牛作者

捷能科技

推動能源變革,創(chuàng)造美好生活環(huán)境! 杭州捷能科技有限公司是一家致力于動力電池系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù),以及動力電池梯次利用的創(chuàng)新型高科技公司。 更多捷能精彩,請關(guān)注公眾號:HZ-GeneralPower

  • 22
    文章
  • 968
    獲贊
閱讀更多文章
熱文榜
日排行
周排行
第一電動網(wǎng)官方微信

反饋和建議 在線回復(fù)

您的詢價(jià)信息
已經(jīng)成功提交我們稍后會聯(lián)系您進(jìn)行報(bào)價(jià)!

第一電動網(wǎng)
Hello world!
-->