動(dòng)力電池發(fā)熱的問(wèn)題，被認(rèn)為是導(dǎo)致電池循環(huán)壽命及安全性不足的一個(gè)主要原因，能否有效散熱也成為動(dòng)力電池普及的一大難題。當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流的電動(dòng)車散熱方式為風(fēng)冷方式，而國(guó)外則為水冷方式。

日本豐田公司的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車Prius、本田公司的Insight，日產(chǎn)聆風(fēng)、通用Volt等汽車公司研制的熱管理系統(tǒng)都采用過(guò)強(qiáng)制風(fēng)冷的形式。國(guó)內(nèi)的各種類型的電動(dòng)車用電源系統(tǒng)基本上也是采用風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。風(fēng)冷方式重量相對(duì)較小，沒有發(fā)生漏液的可能，有害氣體產(chǎn)生時(shí)能有效通風(fēng)，成本較低。缺點(diǎn)在于其與電池表面之間的熱交換系數(shù)低，冷卻、加熱速度慢，電池箱內(nèi)部溫度均勻性不容易控制，電池箱的密封設(shè)計(jì)較難，防塵、防水效果較差。

強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

強(qiáng)制風(fēng)冷是通過(guò)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(guò)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(dòng)乘用車、純電動(dòng)大巴以及儲(chǔ)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(cè)試驗(yàn)證等內(nèi)容。

1、風(fēng)道設(shè)計(jì)

對(duì)于強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，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(dòng)壓降。

從散熱界面來(lái)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1（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(guò)電芯間隙并將電芯產(chǎn)生的熱量傳遞到周圍環(huán)境中；圖1（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(guò)導(dǎo)熱的方式傳遞到電芯底部的冷卻風(fēng)道上，然后通過(guò)空氣的強(qiáng)制對(duì)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(duì)于電芯間隙風(fēng)冷來(lái)說(shuō)，風(fēng)道的設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)的流動(dòng)阻力往往比較大；對(duì)于電芯底部風(fēng)冷來(lái)說(shuō)，風(fēng)道比較規(guī)則，因此系統(tǒng)的流動(dòng)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1 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(dòng)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(jiǎn)單，缺點(diǎn)是散熱均勻性差，且系統(tǒng)流動(dòng)阻力比較大；相對(duì)于串行方式，并行方式的散熱均勻性更好一些，且流動(dòng)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2（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(guò)電芯并將電芯的熱量帶走，同時(shí)冷風(fēng)每掠過(guò)一個(gè)電芯自身的溫度就會(huì)升高，因此這種方式會(huì)使電芯間的溫差增大，此外系統(tǒng)的流動(dòng)阻力也比較大；圖2（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(guò)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(dòng)阻力比較小。對(duì)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(huì)稍微簡(jiǎn)單一些。

（圖2 串行方式和并行方式原理圖）

2、風(fēng)扇選型

風(fēng)冷系統(tǒng)主要部件為風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的選型直接影響電池包空冷系統(tǒng)的冷卻效果。風(fēng)機(jī)的選型要求如下：根據(jù)電池的熱生成速率確定空氣流量；滿足每個(gè)模塊的溫升要求；基于系統(tǒng)所需空氣流量以及系統(tǒng)的壓降曲線選擇滿足要求的風(fēng)機(jī)。

對(duì)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(duì)冷卻風(fēng)道進(jìn)行流場(chǎng)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(duì)比，并選擇會(huì)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(guò)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

對(duì)于冷卻電池系統(tǒng)的空氣來(lái)源主要可以分為兩種方式，這兩種方式的差別明顯：

第一種方式是從環(huán)境中引入，此種方式成本和能耗較低，但散熱效率也較低，此種方式主要用于儲(chǔ)能。

第二種方式是經(jīng)過(guò)熱交換器冷卻而后引入，此種散熱效率相對(duì)來(lái)說(shuō)較高，但增加了成本和能耗。就目前這種風(fēng)冷應(yīng)用來(lái)說(shuō)更多地用在純電動(dòng)乘用車和純電動(dòng)大巴。

（圖3 熱交換器強(qiáng)制風(fēng)冷冷卻）

圖3所示的是第二種方式的工作原理：環(huán)境中的空氣經(jīng)過(guò)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(duì)電池包進(jìn)行冷卻，最后通過(guò)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(guò)程中，風(fēng)道內(nèi)空氣熱場(chǎng)和流場(chǎng)分布、箱體內(nèi)部熱場(chǎng)和流場(chǎng)分布和電芯內(nèi)部的溫度分布都可以通過(guò)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(píng)估、零部件選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4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(chǎng)分布仿真結(jié)果提取出來(lái)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(hào)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(duì)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(hào)的風(fēng)扇才能滿足強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)對(duì)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(hào)的兩種風(fēng)扇中選擇其一。

 （圖4 風(fēng)扇P-Q曲線選型）

5、測(cè)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(cè)試。這些測(cè)試可以歸納為功能性測(cè)試、可靠性測(cè)試和安全性測(cè)試：功能性測(cè)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(cè)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(cè)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)。

綜合來(lái)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(lái)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。

（本文部分內(nèi)容節(jié)選于新能源Leander）