车用锂离子动力电池风冷散热系统研究进展

来源：电源技术

作者：杨朝蓬，张宁，段志宇

关键词：锂离子电池；风冷散热系统；温度；温差；混合冷却系统

01 风冷散热系统特点

根据空气来源不同，强制风冷散热系统可分为环境风冷却和空调风冷却。动力电池多安装于车辆地板下方，环境风冷却因绝缘故障等因素未见批量生产车型中。因此，强制风冷多指空调风冷却，根据空调风来源不同，又分为两种形式：(1)舱内引风式：环境空气经整车空调冷却之后进入乘员舱，随后由乘员舱通入动力电池内，最后由风扇将其排入到环境中。国内大多数汽车企业采用该方式，如江淮 iEV4、上汽荣威 MARVEL X。(2)独立风冷式：环境空气经电池系统自身空调冷却后直接引入，散热效率相对较高，也避免了风量需求大时乘员舱出现负压感受，但相应增加了成本和能耗，美国CODA 公司与长安哈飞合作的长安E30采用了该方式。

02 风冷散热系统研究进展

在电池内部，单体或模组因排布形式不同而形成不同的流道结构。根据空气在流道内的流通方式，电池内部的冷却模式主要分为串行风冷和并行风冷。如图1所示，串行风冷时冷却空气从电池一侧通入，依次流经各个单体。如图2所示，并行风冷时冷却空气均匀流经并列排布的单体间隙。相比于并行风冷，串行风冷下冷却空气在流动过程中逐渐被加热，与单体的温差逐渐减小，对流换热能力下降，靠近出口侧的单体散热效果比进口侧差，温度分布均匀性较差。并行风冷需要对进、出口处流道结构进行特殊设计，满足不同位置处的进风量和压力角度，从而保证流场分布均匀性，因此结构相对复杂。一般情况下，串行风冷多适用于采用圆柱单体的动力电池，并行风冷多适用于采用方形单体的动力电池。

图1  串行风冷图

为了改善串行风冷和并行风冷模式下的散热效率和散热均匀性，在流道设计方面，可通过改变单体的排布方式或排布间距来实现。串行风冷下常用的排布方式如图3所示，主要包括平行顺排、交叉排列、错位排列、梯形叉排等。并行风冷下常用的排布方式如图4所示，主要包括行排列和列排列。

风冷散热系统的进出风口位置、尺寸、形式，直接决定了进入电池组内部的冷却空气流动方向和风量，对内部流场分布具有较大影响，会影响散热效果。Xu 等研究发现自然风冷下带通风口的电池组比不带通风口的最大温升和最大温差分别降低了约23.1%和19.9%。Yang 等利用速度场与温度梯度场协同原理分析发现电池组上出风模式具有最佳的冷却效果，当进气量为 0.444 m/s 时，最大温升和最大热源温差可控制在7.01和3.08 ℃。E 等研究表明位于不同侧的进出口冷却性能优于相同侧。张新强等采用数值模拟发现当通风孔与出风口面积相等时，电池组冷却效果最佳，继续增大通风孔面积，并不能明显提高电池组的冷却效果。王天波等研究发现在进出口面积不变的情况下，进出口形状为圆形时，散热效果最佳。徐辉发明了若干与电池模块内部贯通的喇叭状收风器，收风器大口均朝向车辆行驶方向，保证自然风冷下不同电池模块具有较为对等的进风量，减少模块间散热差异。兰海侠等在空气出入口流道上分设倾斜的分流板，提高了并行风冷下散热效果。为了改善串行风冷下冷却空气依次流动导致温度分布不均匀的问题，可以通过控制进出口动作来改变内部空气流动模式，扰动流场，提升散热均匀性。如图5(a)所示，袁征等在电池一侧设置一个进风口，另一侧设置两个出风口，通过控制两个出风口开关阀门交替开启或关闭，实现空气在电池箱体中变向循环流动；如图5(b)所示，马永笠等提出了一种使用进出口鼓风机交替工作实现电池组内部空气往复流动的方案，该方案下电池组整体温度保持在 25～45℃，最大温差控制在指定温度；如图5(c)所示，宋俊杰等提出了反向分层风冷结构，该结构下各电池温度分布非常均匀。

        图5 冷却空气流动模式

Chen 等开发了流动阻力网络模型，使用嵌套循环程序和计算方法优化了气室的角度以及入口和出口的宽度，优化结果显示，优化气室角度不能有效降低电池单元之间的温度和温差，而优化进口和出口的宽度可以显著提高冷却效率。

03 风冷散热系统的耦合应用

如图6所示，徐晓明等发明了一种风冷与液冷耦合应用的电池模组，在模组底部设置了液冷板，电芯之间设置了风冷空腔，单体电池装在阀口与风冷空腔连通的套筒内，控制系统根据温度传感器测量值，选择性控制液冷板和风冷系统动作，保证最佳工作温度范围。如图7所示，Qin 等提出了一种风冷与 PCM 冷却耦合应用的电池模组，将石蜡作为PCM，填充在单体电池四周的铝合金管中，冷却空气在铝合金管形成的框架结构中流动。如图8所示，Behi 等提出了一种风冷与热管冷却耦合应用的电池模块，经仿真计算，采用强制风冷、增加热管(HP)和增加带有铜片的热管(HPCS)三种冷却策略，与自然风冷相比，电池模块最高温度可降低34.5%、42.1%、42.7%，温度均匀性提高 39.2%、66.5%、73.4%，温度均匀性提升明显。

图8 风冷与热管耦合冷却

将冷却空气引入电池内部进行直接风冷会降低电池组密封性能，密封性能低可能会导致绝缘故障，为解决这一问题，将风冷方式与整套热交换系统耦合，由热交换系统将电池内部的热量导出，最终冷却空气在电池壳体外部实现散热冷却。Park 等将热交换系统管路围绕在电池组壳体外侧，热交换系统包含进气口、出气口、预定流动通道，通过风扇和热电元件控制冷却空气进入热交换系统的流动通道，从而将电池导出的潜热散出。Mardall 等将热交换器管道机械地和热地耦合到电池组外壳基板的内表面，电池组外壳外表面上流动的冷却空气将热交换系统中的热分离。

04 总结与展望

相比于低散热效率的自然风冷，强制风冷是风冷散热系统中的主流冷却方式。风冷散热系统的散热效率与电池组内部排布结构、进出风口设置、冷却空气流体参数等因素密切相关。通过采用优化策略和优化算法，以评判电池内部温度水平和温度均匀性的指标作为优化目标，对各类结构与控制参数进行优化设计，可有效提升风冷散热系统的散热效果。电动汽车的发展，对锂离子动力电池的功率和车辆的续航里程提出了更高的要求，动力电池的能量密度、功率密度将逐渐增大，电池自身的发热量和发热功率也将随之增大。尽管风冷散热系统通过优化设计，散热效率可以得到提升，但是空气自身低热容量、低导热系数从本质上决定了优化提升空间有限。因此，风冷散热系统受制于其较低的散热效率将逐渐难以满足电池汽车未来的发展要求。为取长补短，充分发挥风冷散热系统结构简单、成本低的优点，可将风冷与其他一种或多种冷却方式进行耦合应用，形成混合冷却系统，达到提升整个散热系统散热能力的目的。