动力电池散热系统研究现状

动力电池散热系统研究现状电动汽车根据能量来源和动力组成的不同，可分为纯电动汽车（EV，Elec-tric Vehicle）、混合动力电动汽车（HEV，Hybrid-Electric Vehicle）和燃料电池电动汽车（FCEV，Fuel Cell Electric Vehicle），图1.1为三种电动汽车示意图，它们都要涉及电池散热与能量管理问题。

动力电池散热系统是用来确保电池组工作在适宜温度范围的整套系统，包括电池箱、传热介质、监测控制设备等部件。

动力电池散热系统有如下几项重要功能：图1.1 电动汽车分类1）保证电池包内温度均衡，避免电池间的不一致而降低性能。

2）动力电池系统温度过高时的有效散热和通风。

3）有害气体产生时的有效通风。

4）消除因热失控造成的电池失效或爆炸危险。

按照电动汽车散热系统是否受外界环境的影响，可分为主动冷却方式和被动冷却方式。

被动冷却方式指自然进风散热，由于受外界环境的影响，只能在一定程度上起到电池散热的作用；而主动冷却方式则能摆脱环境因素的影响，可以保证电池相对适宜的工作温度，是今后设计的趋势。

主动冷却方式主要包括强制风冷散热、液冷和相变材料冷却等几种方式。

本文研究重点放在电动汽车被动冷却方式和主动冷却方式之一的液冷散热上。

1.1 动力电池空气冷却式散热系统1.1.1 空气冷却式散热系统工作原理空气冷却式散热系统采用空气作为换热介质。

常见的有两种，第一种被称为被动风冷，直接采用外部空气换热。

第二种则为主动风冷，可预先对外部空气进行冷却后再进入动力电池系统。

早期许多日韩系的电动车型采用风冷方案。

被动式进风散热通常指不使用任何外部辅助能量，直接利用车速形成的自然风将电池组产生的热量带走，不需要额外的部件，结构简单，成本低，整个散热过程热量的交换以自然对流的方式为主，但是其缺点在于散热效率较低，散热性能无法控制，因此需要对电池表面的散热面进行优化以增大电池的散热面积，或者对自然风的风道进行特殊设计，优化自然风经过电池包的流场。

其工作原理如图1.2所示。

图1.2 被动式风冷系统原理图日产汽车Leaf的电池包从第一代车型开始采用的就是传统密闭结构的自然冷却系统，如图1.3所示。

日产汽车采用了散热性优良的软包型电池，该公司对实现不需要强制风冷或水冷等有源装置的电池包结构很有信心。

主动式进风散热在散热过程中的热量交换主要依靠强制对流，因此，如果电池模块周围空间允许，可以安装局部散热器或风扇，也可利用辅助的或汽车自带的蒸发器来提供冷风，其工作原理如图1.4所示。

该方法对电池的封装设计要求有所降低，一般用于IP67以下且结构较复杂的电池系统，电池在车上的位置也不受限制，对整车的结构设计影响较小，是目前电动汽车用动力电池组和混合动力汽车动力电池组中应用最广泛的散热方法。

但是，因为空气的热导率较低，且受外界环境温度的影响较大，所以主动式进风散热系统在散热过程中存在压力损失较大、电池组温度一致性低等问题。

因此，使用主动式进风散热方式对动力电池组进行散热时，需对其冷却风道进行特殊设计，根据场协同原理，速度梯度与温度梯度之间的夹角越小，其协同性越好，故研究主动式进风散热系统，应同时对系统的速度场与温度场进行研究。

图1.3 新款Leaf的电池包（采用密闭结构的自然冷却系统）图1.4 主动风冷系统原理图奥迪Q5 Quattro混合动力汽车电池包使用的是主动风冷散热系统，其结构图如图1.5所示。

冷却模块由12V低压电源供电，带有独立的蒸发器，连接到空调压缩机的冷却回路。

电池包内部有6个温度传感器，其中在冷却管道的进口、出口处各有一个温度传感器。

当电池蒸发器前端温度传感器和后端温度传感器检测到温度过高时，就会开启电池风扇。

控制模块中已经刷入了冷却功能模型，根据温度的不同，冷却系统可以在“引入新鲜空气”和“空气再循环”两种模式之间切换。

风扇鼓风机速度通过LIN总线由BRCMJ840控制。

在“引入新鲜空气”模式下，电池风扇从外界吸入空气，通过蒸发器导入电池，同时把热空气排出去。

在“空气再循环”模式下，电池通风管道定位电动机将关闭，这样外部新鲜空气就不能进入风道了。

如果需要，BRCMJ840模块可以通过CAN总线向空调控制模块发送指令，起动空调压缩机。

BRCMJ840模块通过LIN总线控制电池风扇、两个通风管道定位电动机。

电池温度高于34.5℃时，起动风扇进行冷却。

温度高于37℃时，起动空调系统，通过空调蒸发器冷却空气。

高于42℃时，电池蒸发器提供额外的制冷能力。

图1.5 奥迪Q5 Quattro混合动力汽车电池包冷却系统结构图V457—电池风扇V479—电池通风管道定位电动机V480—电池通风管道定位电动机G756—电池蒸发器前端温度传感器G757—电池蒸发器后端温度传感器N517—电池制冷剂关闭阀1.1.2 空气冷却式散热系统研究现状直接研究电动汽车动力舱被动式进风散热的文献较少，但研究传统发动机舱散热的文献却比较多。

电动汽车动力舱与传统发动机舱热流场特性研究的方法存在许多相似的地方，本文查阅大量研究传统发动机舱散热的文献，发现传统发动机舱热流场特性研究，正从原先的实验分析为主，发展到目前以仿真计算为主，辅助加以实验验证的新格局。

比较具有代表性的研究还包括：Anders J在SUV XC90的开发过程中，针对该车在设计过程中遇到的热管理问题，使用FLUENT软件对发动机舱内外流场进行数值仿真研究。

Weidmann.E.P等对多种设计形式下发动机舱内的空气流动和温度分布进行分析研究。

Fortunato.F等探讨CFD方法应用于发动机舱散热问题研究的可行性。

David.P等通过添加挡板改变气流通道，加大通过散热器的低温冷却空气份额，有效地改善发动机舱内的散热情况。

Kim.K.B等利用Flowmaster软件对汽车发动机冷却系统在不同控制策略下的性能进行研究。

赵新明通过可视化的方法对发动机舱内温度在不同工况下的变化规律进行研究。

齐斌等利用NEDC驾驶循环模拟整车冷却系统散热性能。

袁侠义等建立汽车发动机舱的三维数值模型，并对其进行流场和温度场的分析。

电动汽车动力舱被动式进风散热性能的优劣将直接影响到舱内电池组的温度场分布（电池组一般布置在动力舱、行李箱或者车身底部），进而影响电池正常工作。

近些年来，随着数值计算方法的改进和计算机性能的提高，CFD （Compu-tational Fluid Dynamics）技术得到了飞速的发展，采用CFD方法研究电动汽车动力舱热流场特性成为可能。

电动汽车动力舱热流场特性研究，正从原先的实验分析为主，发展到目前以仿真计算为主，辅助加以实验验证的新格局。

在主动空气冷却方面，研究人员就如何进行高效风冷、明确影响散热效果的因素展开了研究，Ahmed.A.P与Takaki.A等人研究电池组不同流场对电池模块温度的影响时，设计了串行与并行等不同送风方式（图1.6）。

串行送风下，流体依次通过各个电池体，在流动过程中逐渐升温，故靠近进风口处的电池比出风口处散热好，致使两侧电池的温度有较大的差异；并行送风则采用楔形进出口使空气一起流过各电池体，缩小了不同电池体间的温度差异。

图1.6 主动冷却送风方式示意图Mahamud.R等设计了一种通过控制翻板阀门开闭控制冷却气体流向的往复式电池包散热结构；研究表明，通过往电池包内往复式通入空气，不仅能降低电池包内最高温度，而且能够极大地提高电池包内电池的温度均匀性。

Fan.H等通过风洞实验与仿真结合的方式，研究了不同进口风速、电池不同排列间距、不同充放电流情况下电池组温度的变化及不同工况下的电压降，为设计合理的电池模块提供参考。

梁昌杰对电池包内电池模块不同排列下的风冷进行了研究，并在此基础上研究分析了在电池组内部加装不同形状扰流板时的温度场；研究结果显示，通过添加各扰流板能有效提高其散热效果（图1.7）。

图1.7 进风口散热效果示意图1.2 动力电池系统液体冷却式散热系统1.2.1 液体冷却式散热系统工作原理随着动力电池比能量越来越高，在电池组大倍率放电的情况下，电池组冷却需要的空气流速也越大，在产生巨大噪声的同时，风扇的功率要求也大大增加，逐步开始不满足电动汽车的需求，同时高温环境下空气冷却的效果也并不理想，所以空气对流换热技术已逐步不满足需求。

当流体流经固体表面时，在固体表面附近，越接近固体表面，流体的流动速度越低，当与固体接触的距离非常小时，流体处于停滞状态，可以看成是流体与固体之间只有热传导存在。

以水为例，已知常温下水的导热系数是空气的几十倍，而且水的比热容是空气的4倍，所以研究者通常认为液体流动换热比空气换热有更好的效果，更能满足动力电池的温控需求。

液体流动换热是使用导热系数比较高的液体直接或间接接触电池以带走热量的热管理形式。

在结构设计方案中，既可以将电池直接放置于绝缘且导热系数高的液体中，也可以通过冷板等与电池接触，先将热量从电池组传入冷板，再通过冷板与液体间的换热将热量带出电池包。

前者多采用硅基油、矿物油等有机油类，往往黏度很大，流动性弱；后者选用的介质为水、乙二醇、乙二醇与水的混合物等，流动性强，换热系数高，但是因为其不绝缘，必须做好管道密封，防止泄漏造成短路。

液冷模式即电池采用水冷方式换热，如图1.8所示。

一般会增加一个换热器与制冷循环耦合起来，通过制冷剂将电池的热量带走。

整个系统主要包括电子水泵、换热器、电池散热板、PTC加热器、膨胀水箱。

电池需要冷却时，电池通过散热板与冷却液进行换热，加热后的冷却液被电子水泵送入换热器内，在换热器内部一侧通入制冷剂，一侧通入冷却液，两者在换热器内充分换热，热量被制冷剂带走，冷却液流出换热器再流入电池，形成一个循环。

电池需要加热时，关闭制冷回路，开启PTC加热器，冷却液被加热后送入电池内部，通过散热板加热电池。

可以通过控制制冷回路通断以及控制PTC加热功率，来控制冷却液的温度，从而控制电池内部温度。

此种方案系统比较复杂，成本比较高。

液冷是目前许多电动乘用车的优选方案，国内外的典型产品如宝马i3、特斯拉、通用沃蓝达（Volt）、华晨宝马之诺、吉利帝豪EV。

图1.8 液冷式散热结构图1.2.2 液体冷却式散热系统研究现状Wu.M.S等人研究了冷板主动式液冷散热，探究了冷板结构参数及使用条件对散热性能的影响；研究发现，波浪形的冷板散热效果最好，导热率高的冷板散热效果优于导热率低的冷板，电池通过与外界接触发生强制对流带走的热量远小于冷板带走的热量。

Jarrett.A等研究了冷板回环式流道散热结构（图1.9），利用优化采样法以板内通道布置位置、通道宽度为变量提取了几种不同的内部结构，利用流体仿真软件对冷板的压降与冷却目标的平均温度及方差进行了分析。

对18种不同结构的散热冷板进行仿真分析，结果显示，管道越宽，冷板的平均温度和压降就越低；同时得出结论：采用流道逐渐变宽的设计可以有效提高电池温度的一致性。