【編者按】《電動汽車動力電池系統(tǒng)設計與制造技術》將于8月份出版，該書是繼《電動汽車動力電池系統(tǒng)安全分析與設計》之后系列叢書的第二本專著，由王芳、夏軍等多位專家耗時一年聯(lián)袂打造，內(nèi)容涵蓋動力電池系統(tǒng)的技術發(fā)展綜述、系統(tǒng)設計、結構設計、BMS設計、熱管理設計、結構仿真分析、測試驗證，以及生產(chǎn)制造技術，全方位多角度為讀者提供最佳的工程實踐參考。本文節(jié)選自《電動汽車動力電池系統(tǒng)設計與制造技術》第二章“動力電池系統(tǒng)總體方案設計”。

第五章：電池包強制風冷系統(tǒng)設計

一. 強制風冷系統(tǒng)

強制風冷是通過風扇將空氣引入箱體內(nèi)部，空氣在風扇的作用下，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。強制風冷方式常見于早期的純電動乘用車、純電動大巴以及儲能。

強制風冷系統(tǒng)設計主要包括風道設計、風扇選型、冷卻空氣溫度選擇、熱流體仿真分析和測試驗證等內(nèi)容。

1、風道設計

對于強制風冷系統(tǒng)設計來說，風道的設計是十分關鍵的。良好的風道設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，強制風冷系統(tǒng)的風道可以分為電芯間隙風冷和電芯底部風冷。圖5-14（a）所示的是電芯間隙風冷原理圖，冷風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5-14（b）所示的是電芯底部風冷原理圖，電芯產(chǎn)生的熱量先通過導熱的方式傳遞到電芯底部的冷卻風道上，然后通過空氣的強制對流換熱將熱量傳遞到周圍環(huán)境中。上述兩種風道各有優(yōu)缺點：對于電芯間隙風冷來說，風道的設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；對于電芯底部風冷來說，風道比較規(guī)則，因此系統(tǒng)的流動阻力比較小，并且可以在風道中設計散熱翅片以強化換熱。

圖5-14電芯間隙風冷和電芯底部風冷原理圖

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)點是結構簡單，缺點是散熱均勻性差，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，但并行方式的結構較為復雜，占據(jù)的空間也更大。圖5-15（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，冷風逐一掠過電芯并將電芯的熱量帶走，同時冷風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5-15（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，只是情況會稍微簡單一些，在此就不一一說明。

圖5-15串行方式和并行方式原理圖

2、風扇選型

在強制風冷系統(tǒng)設計過程中，除了設計冷卻風道之外，選擇合適的風扇也非常重要。

對于風扇的選型，最重要的是所選用的風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，對冷卻風道進行流場分布的仿真，并提取出冷卻風道的阻力特征曲線，然后將阻力特征曲線與風扇的壓力-流量曲線（即P-Q曲線）進行對比，并選擇會合適的風扇P-Q曲線。

除此之外，風扇選型時還需要考慮如下的因素：用于電池系統(tǒng)的風扇通常是直流供電，電壓一般為12V或者24V；根據(jù)運行方式，風扇可以分為軸流式風扇、離心式風扇和混流式風扇，這三種風扇在使用過程中各有利弊，需要根據(jù)實際情況進行選擇；此外，還需要考慮風扇的尺寸、重量、噪音、功耗和成本等因素。

3、冷卻空氣溫度選擇

用于冷卻電池系統(tǒng)的空氣，可以是從環(huán)境中引入的，也可以是經(jīng)過熱交換器冷卻而后引入的。這兩種方式的差別很明顯：第一種方式的成本和能耗較低，但散熱效率也較低；第二種方式的散熱效率相對來說較高，但增加了成本和能耗。就目前的風冷應用來說，第一種方式主要用于儲能，第二種方式更多地用在純電動乘用車和純電動大巴。

圖5-16 第二種方式的工作原理圖

圖5-16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入乘客艙，隨后通入電池系統(tǒng)對電池包進行冷卻，最后通過風扇將其排入環(huán)境空氣。

4、熱流體仿真分析

在風冷設計過程中，風道內(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行模擬，并根據(jù)仿真分析結果進行設計評估、零部件選型和優(yōu)化設計。

圖5-17為某風冷系統(tǒng)P-Q曲線選型圖，圖中藍色虛線所示的是根據(jù)冷卻風道流場分布仿真結果提取出來的風阻特征曲線，圖中彩色實線所示的是某風扇供應商提供的同一系列不同型號風扇的P-Q曲線。將風阻特征曲線與風扇P-Q曲線進行對比的結果顯示：想要給冷卻風道提供特定的流量，只有H和V兩種型號的風扇才能滿足強制風冷系統(tǒng)對風扇升力的要求，因此可以根據(jù)實際情況在H和V型號的兩種風扇中選擇其一。

圖5-17 風扇P-Q曲線選型

5、測試驗證

風冷系統(tǒng)設計完成之后，需要進行一系列的測試。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證電芯的溫升和風道內(nèi)部的流速等參數(shù)是否與設計相符；可靠性測試主要是驗證風道、風扇和風扇控制模塊在電池系統(tǒng)壽命周期內(nèi)是否能夠可靠地運行；安全性測試主要是驗證風冷系統(tǒng)零部件失效時是否引起安全風險。

通過上述的描述，本節(jié)將強制風冷系統(tǒng)的設計流程進行了一個簡單的介紹。綜合來看，強制風冷系統(tǒng)的散熱效果較自然冷卻有明顯的提升，但遠比不上液冷，此外強制風冷的冷卻均勻性也比較差。從結構設計的角度來看，強制風冷需要設計風道，增加風扇，系統(tǒng)的復雜程度也比較高，而且加入風扇使電池系統(tǒng)的密封性很難兼顧。

作者：蔣碧文

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