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影響電動汽車動力電池強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計步驟

目錄:媒體報道星級:3星級人氣:-發(fā)表時間:2017-10-21 11:08:00
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動力電池發(fā)熱的問題,被認(rèn)為是導(dǎo)致電池循環(huán)壽命及安全性不足的一個主要原因,能否有效散熱也成為動力電池普及的一大難題。當(dāng)前國內(nèi)主流的電動車散熱方式為風(fēng)冷方式,而國外則為水冷方式。

日本豐田公司的混合動力電動汽車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)都采用過強(qiáng)制風(fēng)冷的形式。國內(nèi)的各種類型的電動車用電源系統(tǒng)基本上也是采用風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。風(fēng)冷方式重量相對較小,沒有發(fā)生漏液的可能,有害氣體產(chǎn)生時能有效通風(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)計較難,防塵、防水效果較差。

強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計流程

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)計主要包括風(fēng)道設(shè)計、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

對于強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計來說,風(fēng)道的設(shè)計是十分關(guān)鍵的。良好的風(fēng)道設(shè)計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)逐一掠過電芯并將電芯的熱量帶走,同時冷風(fēng)每掠過一個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。

(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

 

對于冷卻電池系統(tǒng)的空氣來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能。

第二種方式是經(jīng)過熱交換器冷卻而后引入,此種散熱效率相對來說較高,但增加了成本和能耗。就目前這種風(fēng)冷應(yīng)用來說更多地用在純電動乘用車和純電動大巴。

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)計評估、零部件選型和優(yōu)化設(shè)計。

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4 風(fēng)扇P-Q曲線選型)


5、測試驗(yàn)證

風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計完成之后,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)零部件失效時是否引起安全風(fēng)險。

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)計的角度來看,強(qiáng)制風(fēng)冷需要設(shè)計風(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)

 
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