電池怕水又怕熱，這是大家都知道的，動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的心臟，要耐得了高溫、防得了水、受得住凍。而一旦電動(dòng)汽車出了事，最先想到的就是“心臟”出了問題，那在這樣的高溫天氣下，動(dòng)力電池能靜下“心”嗎？

汽車電池散熱需求分析

隨著科技的發(fā)展及節(jié)能減排的政策要求，各類交通工具及設(shè)備越來越多得將電池作為動(dòng)力源。新能源汽車及其他設(shè)備所使用的電池主要分為三大類，即為化學(xué)電池、物理電池以及生物電池。如圖1所示

（圖1 汽車用電池分類）

汽車電池的選用，主要根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，如圖2所示。一般混合動(dòng)力汽車（HEV）使用比功率高的電池，而純電動(dòng)汽車（EV）選用比能量高的電池。

（圖2 汽車用電池選擇標(biāo)準(zhǔn)）

不同類型的電池只有工作在一定溫度范圍內(nèi)，才能保證性能和壽命，如鉛酸電池溫度在35～40℃之間，氫鎳電池在0～40℃之間，鋰離子電池在-20～75℃之間。不同溫度下電池的放電效率如圖3所示。 

（圖3 不同溫度下電池放電效率）

電池作為電動(dòng)汽車中的主要儲(chǔ)能元件，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，直接影響到電動(dòng)汽車的性能。而電池組的熱管理對(duì)于現(xiàn)代電動(dòng)汽車是必需的，原因在于

(1)電動(dòng)汽車電池組會(huì)長(zhǎng)時(shí)間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中，這將縮短電池使用壽命、降低電池性能；

(2)電池箱內(nèi)溫度場(chǎng)的長(zhǎng)久不均勻分布將造成各電池模塊、單體性能的不均衡；

(3)電池組的熱監(jiān)控和熱管理對(duì)整車運(yùn)行安全意義重大。

汽車電池散熱解決方案的選擇

電池種類不同，其生熱的原因有所不同，但主要包括以下4個(gè)方面：電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、過充電副反應(yīng)生熱、內(nèi)阻焦耳熱。 在確定電池的生熱量后，通過合理選用冷卻方式及散熱結(jié)構(gòu)即可保證電池的工作溫度。 

傳熱介質(zhì)的選擇 

傳熱介質(zhì)的選擇對(duì)電池組工作溫度有很大影響。按照傳熱介質(zhì)分類，電池組冷卻系統(tǒng)可分為空冷、液冷及相變材料冷卻3種方式?？諝饫鋮s是最簡(jiǎn)單方式，只需讓空氣流過電池表面。液體冷卻分為直接接觸和非直接接觸兩種方式。礦物油可作為直接接觸傳熱介質(zhì)，水或者防凍液可作為典型的非直接接觸傳熱介質(zhì)。液冷必須通過水套等換熱設(shè)施才能對(duì)電池進(jìn)行冷卻，這在一定程度上降低了換熱效率。電池壁面和流體介質(zhì)之間的換熱率與流體流動(dòng)的形態(tài)、流速、流體密度和流體熱傳導(dǎo)率等因素相關(guān)。 

散熱結(jié)構(gòu)的選擇 

電池箱內(nèi)不同電池模塊之間的溫度差異，會(huì)加劇電池內(nèi)阻和容量的不一致性，如果長(zhǎng)時(shí)間積累，會(huì)造成部分電池過充電或者過放電，進(jìn)而影響電池的壽命與性能，并造成安全隱患。電池箱內(nèi)電池模塊的溫度差異與電池組布置有很大關(guān)系，一般情況下，中間位置的電池容易積累熱量，邊緣的電池散熱條件要好些。所以在進(jìn)行電池組結(jié)構(gòu)布置和散熱設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量保證電池組散熱的均勻性。以空冷散熱為例來，通風(fēng)方式一般有串行和并行兩種，如圖4和圖5所示。

（圖4 串行通風(fēng)示意圖）

（圖5 并行通風(fēng)示意圖）

圖4所示串行通風(fēng)方式下，冷空氣從左側(cè)吹人從右側(cè)吹出。空氣在流動(dòng)過程中不斷地被加熱，所以右側(cè)的冷卻效果比左側(cè)要差，電池箱內(nèi)電池組溫度從左到右依次升高。第一代豐田Prius和本田Insight都采取了串行通風(fēng)方式。 

圖5所示，并行通風(fēng)方式使得空氣流量在電池模塊間更均勻地分布。并行通風(fēng)方式需要對(duì)進(jìn)排氣通道，電池布置位置進(jìn)行很好地設(shè)計(jì)。豐田新Prius采用的就是并行通風(fēng)結(jié)構(gòu)，其楔形的進(jìn)排氣通道使得不同模塊間縫隙上下的壓力差基本保持一致，確保了吹過不同電池模塊的空氣流量的一致性，從而保證了電池組溫度場(chǎng)分布的一致性。 

從提高電池組工作性能角度來看，并行通風(fēng)方式優(yōu)于串行通風(fēng)方式，在熱管理系統(tǒng)中更為常用。 

某HEV電池組CFD散熱解決方案案例分析 

混合動(dòng)力汽車的性能受制于電池組的性能，而電池組的性能與溫度密切相關(guān)。混合動(dòng)力汽車用鎳氫電池散熱系統(tǒng)的目標(biāo)為：將電池的工作溫度控制在其最佳范圍20 ℃～40 ℃，模塊間的溫差在5 ℃以下。 

重點(diǎn)考慮電池包風(fēng)道的不同布置，對(duì)電池包散熱系統(tǒng)的影響。同側(cè)風(fēng)道方案是指電池模組順序排列配置在電池箱體內(nèi)，外部進(jìn)入的冷卻氣流從電池包一側(cè)進(jìn)入，通過內(nèi)部風(fēng)道進(jìn)入電池模組之間的縫隙，最后在與進(jìn)風(fēng)道同側(cè)位置的出風(fēng)道處將氣體排出。異側(cè)風(fēng)道方案是指電池模組順序排列配置在電池箱體內(nèi)，外部進(jìn)入的冷卻氣流從電池包一側(cè)，通過內(nèi)部風(fēng)道進(jìn)入電池模組之間的縫隙，最后在與進(jìn)風(fēng)道相反方向位置的出風(fēng)道處將氣體排出。

（電池組示意圖）

（同側(cè)風(fēng)道方案）

（異側(cè)風(fēng)道方案）

CFD仿真結(jié)果

（同側(cè)風(fēng)道流線圖）

（異側(cè)風(fēng)道流線圖）

同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案，空氣從進(jìn)氣管進(jìn)入到電池組底部，到達(dá)右方后回流至左側(cè)，這種回流現(xiàn)象將導(dǎo)致熱循環(huán)，不利于電池上下部散熱。相對(duì)于同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案，異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案氣流從左側(cè)進(jìn)口進(jìn)入到電池組底部，直接到達(dá)右方，能夠減小電池?zé)嵫h(huán)程度，有利于降低電池上部的最高溫度；異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道底部流場(chǎng)流速分布更加均勻。

（同側(cè)風(fēng)道速度云圖）

（異側(cè)風(fēng)道速度云圖）

從上述兩組圖中可知，同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案電池表面氣流最高速度與最低速度相差較大，可能導(dǎo)致電池表面散熱不均、溫升較大，影響電池性能；異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案提高電池左側(cè)氣流流速，有利于電池左側(cè)上部散熱。與同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案相比較，異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案電池表面氣流速度分布均勻，方案較優(yōu)。 

通過流場(chǎng)分析，沿模塊軸向速流情況基本是均勻的，但是由于電池工作時(shí)，電池內(nèi)部溫度不斷上升。氣流從進(jìn)口到出口溫度逐漸升高，使上游電池的散熱條件要優(yōu)于下游電池。故建議盡量減小下游風(fēng)道的面積，使下游的流速增大，提高電池內(nèi)部流速，帶走內(nèi)部熱量。 

仿真結(jié)果驗(yàn)證 

同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案試驗(yàn)溫度為11℃，恒溫放置1天。異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案試驗(yàn)溫度為22℃，恒溫放置1 天。試驗(yàn)開始，采用試驗(yàn)計(jì)劃方案進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)電池包溫度達(dá)到30℃時(shí)，電池包風(fēng)扇開始啟動(dòng)。 

電池包內(nèi)，放置36 個(gè)溫度傳感器對(duì)電池包內(nèi)模塊進(jìn)行溫度采集，按照電池組示意圖位置所示，從左到右的溫度傳感器排列順序依次為1、2、3 等數(shù)字遞增。要求電池在SOC 30%—70%區(qū)間運(yùn)行，通過對(duì)電池包不間斷的進(jìn)行恒電流充電，恒電流放電持續(xù)測(cè)試。電池單體上的測(cè)溫點(diǎn)下圖所示，方案一為同側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案，方案二為異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案。

（兩種方案溫度分布對(duì)比）

溫度試驗(yàn)證明，異側(cè)進(jìn)出風(fēng)道方案對(duì)于電池內(nèi)部散熱系統(tǒng)較好，分布比同道方案更加均勻。 

由于電池試驗(yàn)溫差沒有達(dá)到 5℃要求要求，后期可以考慮改進(jìn)內(nèi)部排布，增加導(dǎo)流板、設(shè)計(jì)適合于平行流的風(fēng)道，利用駕駛室排除的空氣，減小下游風(fēng)道的面積等手段，減小電池包內(nèi)溫差，達(dá)到模塊間溫度的均勻性。