【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。

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。

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。

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。

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

返回第一電動網(wǎng)首頁 >