電動(dòng)車(chē)動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)強(qiáng)制風(fēng)冷散熱特性研究

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，能源短缺日益嚴(yán)峻。同時(shí)傳統(tǒng)燃油車(chē)產(chǎn)生的污染物嚴(yán)重影響著人類(lèi)的生活，電動(dòng)汽車(chē)成為了解決該問(wèn)題的最佳選擇，作為電動(dòng)汽車(chē)核心部件的動(dòng)力電池備受關(guān)注。使車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)在一個(gè)合適的溫度范圍內(nèi)工作能有效影響車(chē)輛的續(xù)航能力和經(jīng)濟(jì)性。車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)配備良好的散熱管理系統(tǒng)，可有效降低車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э氐膸茁?。?chē)用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、質(zhì)量輕巧且無(wú)有害氣體積壓等優(yōu)點(diǎn)，但如何合理設(shè)計(jì)鋰離子動(dòng)力電池排布結(jié)構(gòu)、通風(fēng)渠道種類(lèi)和入口空氣流量等參數(shù)是提高車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)散熱能力的首要關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

1 動(dòng)力電池?zé)峁芾肀匾?/h2>

對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)和混合電動(dòng)汽車(chē)，電池的性能很大程度的影響車(chē)輛的各項(xiàng)性能。為了在一年四季都能盡可能的穩(wěn)定運(yùn)行，電池包的熱管理在設(shè)計(jì)之初便是十分重要的。電動(dòng)汽車(chē)的性能，壽命和成本無(wú)疑都與電池的性能息息相關(guān)。在充電的過(guò)程中，電池的溫度一定程度上會(huì)影響電池的壽命、充電電壓及充電接受能力，從而影響車(chē)輛的續(xù)航能力和經(jīng)濟(jì)性。不同種類(lèi)電池的理想運(yùn)行溫度區(qū)間是不同的。一般來(lái)說(shuō)，電池的最佳運(yùn)行溫度區(qū)間會(huì)比車(chē)輛的指定運(yùn)行區(qū)間窄很多。比如對(duì)一般的酸性蓄電池而言，設(shè)計(jì)溫度區(qū)間是25℃-45℃，而車(chē)輛的運(yùn)行溫度區(qū)間是-30℃-60℃。而對(duì)于鋰離子電池而言，最佳運(yùn)行溫度區(qū)間為15℃-35℃。基于電池有限的耐溫性和相對(duì)來(lái)說(shuō)并不是特別穩(wěn)定的化學(xué)特性，一旦電池的工作溫度處于極高或極低中時(shí)，容易爆發(fā)危險(xiǎn)事故。

除了要考慮電池包的整體溫度之外，電池包內(nèi)部的溫度不均勻性也需納入考慮的范圍。各個(gè)電池單體之間溫度的變化會(huì)導(dǎo)致各電池單體的充放電性能有所不同，從而導(dǎo)致各單體甚至是鋰離子電池的溫度電池包的電失衡。對(duì)于一些高溫電池，如鋰金屬聚合物電池，在制造之初設(shè)計(jì)者們就需要考慮電池包內(nèi)部的電池?zé)峁芾怼?/p>

最后將雙重鎖頻應(yīng)用于一個(gè)小型化集成光波導(dǎo)陀螺樣機(jī)內(nèi),進(jìn)行了3 600 s的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖8所示。其中圖8(a)顯示了陀螺在室溫環(huán)境下進(jìn)行的3 600 s的長(zhǎng)時(shí)間零偏穩(wěn)定性測(cè)試,圖8(b)顯示了在積分時(shí)間3.5 s時(shí),得到其Allen方差為26.6 °/h的長(zhǎng)期零偏穩(wěn)定性。

20世紀(jì)初，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)汽車(chē)制造中心及來(lái)自新一代汽車(chē)項(xiàng)目（PNGV）的電池包供應(yīng)商合作研究解決混合動(dòng)力汽車(chē)運(yùn)行中電池包的熱管理問(wèn)題。傳熱機(jī)理、流體流動(dòng)準(zhǔn)則、有限元熱分析以及實(shí)驗(yàn)均被用來(lái)評(píng)價(jià)電池包的設(shè)計(jì)。熱成像技術(shù)和電池測(cè)熱法均被用于測(cè)量和評(píng)估電池單體以及電池包內(nèi)電池的熱特性。研究者們通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)電池在工作時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的化學(xué)熱和焦耳熱均會(huì)使得電池本身的溫度升高，而當(dāng)電池沒(méi)有得到較好的散熱而長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)下時(shí)，電池材料會(huì)加速老化進(jìn)而影響到電池的壽命。Yang和Guo等人通過(guò)對(duì)比單體在不同溫度下運(yùn)行，在經(jīng)過(guò)多次循環(huán)充放電工作后，發(fā)現(xiàn)電池的容量隨著溫度的升高而依次降低。

如前所述，小學(xué)數(shù)學(xué)教授的，并非高深的數(shù)學(xué)分支或數(shù)學(xué)前沿，而是千百年前建立的古老的數(shù)學(xué)分支，是數(shù)學(xué)與科學(xué)大廈的基石.故其內(nèi)容與方法的穩(wěn)定是理所當(dāng)然的.某些增刪或改進(jìn)或許必要；但數(shù)學(xué)教育衰敗的現(xiàn)實(shí)說(shuō)明，大幅度的變動(dòng)甚至推倒重來(lái)肯定出亂子，不可避免地拖垮了數(shù)學(xué)教育.

為讓電池包溫度盡可能的均勻分布，且盡可能的減少單體電池之間的溫差，一個(gè)有效且滿(mǎn)足車(chē)輛的制造要求：即緊湊化、輕量化、成本低、易組裝，同時(shí)具備高的可靠性和平衡性的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是十分有必要的。

國(guó)內(nèi)的一些研究工作者們也通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬的方法對(duì)電池的熱失控的誘發(fā)因素以及不同循環(huán)周期、放電倍率下的電池?zé)崾Э剡M(jìn)行了研究。單體電池的熱失控往往會(huì)在實(shí)際的工況下誘發(fā)整個(gè)電池包的熱失控，而Yuksel等人通過(guò)對(duì)電池添加風(fēng)冷散熱之后發(fā)現(xiàn)電池的壽命得到了提高。

強(qiáng)制風(fēng)冷主要是有兩種通風(fēng)方式，即串行通風(fēng)與并行通風(fēng)，如圖1所示。

此外，過(guò)量灌溉還會(huì)造成嚴(yán)重的農(nóng)田污染問(wèn)題，如在內(nèi)蒙古包頭市達(dá)茂旗百靈廟鎮(zhèn)，40米井水的硝態(tài)氮為180ppm，內(nèi)蒙古烏蘭察布市察右后旗烏蘭哈達(dá)鄉(xiāng)，40米井水硝態(tài)氮160ppm。120米深井水硝態(tài)氮38ppm。所以過(guò)量灌溉會(huì)導(dǎo)致地下水受到嚴(yán)重的污染。以色列在提高水的利用率方面做得很好，利用水分監(jiān)控技術(shù)，在田間埋設(shè)自動(dòng)化水分監(jiān)督裝備，如張力計(jì)，將數(shù)據(jù)傳到手機(jī)和電腦上，可以自動(dòng)化的管理田間的水分。

2 風(fēng)冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

根據(jù)專(zhuān)業(yè)人員的建模仿真分析可知，電池組風(fēng)冷散熱效果影響的主要因素包括進(jìn)出風(fēng)的角度及電池的間距。如圖3所示，α為進(jìn)氣角度，其底部進(jìn)風(fēng)區(qū)域進(jìn)風(fēng)端尺寸不變，通過(guò)改變進(jìn)風(fēng)區(qū)域末端尺寸A的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)風(fēng)角度的改變。電池箱出風(fēng)角度為β，其頂部出風(fēng)區(qū)域左側(cè)高度不變，通過(guò)改變右側(cè)出口端尺寸B的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)出風(fēng)角度β的改變。電池間距就是空氣在電池箱內(nèi)流通的長(zhǎng)度，將該長(zhǎng)度按等差遞減方式排列，其公差值為C，保持電池箱總長(zhǎng)度L為常數(shù)，可以通過(guò)改變C值的大小來(lái)改變電池間距。

保持電池組的出風(fēng)角度與電池之間的距離不變（B=20mm，C=0mm），A值分別取3、5、8、9、10、15、20，通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到7個(gè)模型的電池組最高溫度與A值變化的關(guān)系曲線，如圖4所示。當(dāng)A值為8mm時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)電池組的高溫度和溫差均較低。隨著A值增大，電池箱內(nèi)空氣流速降低，電池溫度升高。當(dāng)A值小于8，電池箱內(nèi)進(jìn)風(fēng)區(qū)空間狹小，這使得電池箱內(nèi)2～4號(hào)通道內(nèi)的空氣流速降低，電池溫度升高。所以當(dāng)尺寸A為8時(shí)，電池組的最高溫度和溫差均較低，電池組風(fēng)冷散熱系統(tǒng)性能最好。

2.1 通風(fēng)方式

熱管理系統(tǒng)需要能夠在低功率的條件下讓電池包在寬的溫度范圍里工作，并且為潛在的有害氣體提供通風(fēng)設(shè)備。目前常用的主流熱管理方式有：①用空氣來(lái)加熱/冷卻/通風(fēng)；②用液體來(lái)加熱/冷卻；③利用儲(chǔ)熱材料如相變材料來(lái)散熱，或者用兩種或多種方法結(jié)合在一起來(lái)設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

串行通風(fēng)，就是風(fēng)機(jī)從電池組的進(jìn)風(fēng)口一端抽取空氣然后從另一端的出風(fēng)口排出空氣，流經(jīng)電池后，空氣的溫度會(huì)逐漸上升，空氣溫度與電池的表面溫度差就逐漸減小，距離進(jìn)風(fēng)口位置最近的電池溫度是最低，距離出風(fēng)口位置最近的電池溫度最高。電池組溫度分布不均，嚴(yán)重影響電池的工作性能，因此現(xiàn)在基本不采用這種方式。

并行通風(fēng)，這種進(jìn)風(fēng)方式中的氣流均為直立上升，這就可以保證當(dāng)氣流流經(jīng)電池表面后，每塊電池溫度降低的數(shù)值一樣。并行通風(fēng)可以使得電池組的溫度相對(duì)均勻，電池組的工作性能更優(yōu)異，在熱管理系統(tǒng)中更被青睞。

在實(shí)際操作過(guò)程中，電池組的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口一般都會(huì)安裝有風(fēng)機(jī)，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)機(jī)輸送新風(fēng)，出風(fēng)口風(fēng)機(jī)向外排放高溫氣流。并且在應(yīng)用中在實(shí)際工程中，可可以通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口角度α與出風(fēng)口角度β，來(lái)改變電池表面與空氣的接觸面積及空氣流速，從而更好的實(shí)現(xiàn)降溫性能。

2.2 散熱結(jié)構(gòu)

空氣冷卻主要分為主動(dòng)式與被動(dòng)式兩種，被動(dòng)方式又可以根據(jù)空氣的來(lái)源，分為外界空氣通風(fēng)被動(dòng)式與乘客艙空氣通風(fēng)被動(dòng)式，如圖2所示，其中a的空氣來(lái)自外部對(duì)電池組進(jìn)行散熱，然后廢氣被風(fēng)機(jī)抽離電池箱；b的空氣來(lái)自于乘客艙對(duì)電池組直接進(jìn)行散熱，廢氣經(jīng)處理后大部分被抽離電池箱，一小部分回流到電池箱被再利用；經(jīng)處理后的風(fēng)大部分直接排到外界，有部分風(fēng)回流到電池包內(nèi)進(jìn)行了二次利用；c為主動(dòng)式冷卻，這種方式是全封閉式冷卻系統(tǒng)，空氣來(lái)自于乘客艙，對(duì)對(duì)電池進(jìn)行散熱處理后一部分排出電池箱一部分被輸送到車(chē)輛散熱器進(jìn)行再利用，該種散熱方式被廣泛的應(yīng)用。

3 鋰電池強(qiáng)制風(fēng)冷散熱特性分析

風(fēng)冷方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量小，可以有效排除電池在工作過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體，成本較低，易于維護(hù)等特點(diǎn)。故強(qiáng)制風(fēng)冷可以廣泛應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中。

3.1 入口角度對(duì)電池組冷卻性能的影響

電力安全工器具的管理需要資金和人員的投入的，對(duì)安全工器具管理資金投入很少的時(shí)候，就會(huì)使得安全工器具的存放環(huán)境得不到保障，安全工器具管理室、有干燥功能的存放柜等存放設(shè)施等配置不到位；要對(duì)電力安全工器具的功能、特性等十分的了解，這樣才會(huì)更好的管理安全工器具，但是在人員的配置上不是很合理，其知識(shí)、能力有限，往往難以滿(mǎn)足電力安全工器具管理的要求。

熱量的堆積不僅僅會(huì)影響電池的壽命等因素，還會(huì)誘發(fā)更嚴(yán)重的熱失控。

3.2 出口角度對(duì)電池組冷卻性能的影響

保持電池箱進(jìn)風(fēng)角度和電池間距不變，尺寸B的值分別取20、25、28、30、35、40，通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到7個(gè)模型的電池組最高溫度與B值變化的關(guān)系曲線，如圖5所示。當(dāng)尺寸B為30mm時(shí)，可以看到電池組最高溫度與電池組溫差均為最低。當(dāng)B值增大，隨著尺寸B的增大，出風(fēng)口位置的電池溫度增高。出風(fēng)角度加大，遠(yuǎn)離進(jìn)氣口的電池通道氣流增加，電池間的空氣流通更均勻。當(dāng)出風(fēng)角度增大到一定值時(shí)，更多空氣流入遠(yuǎn)離空氣進(jìn)出風(fēng)口一側(cè)的流道內(nèi)，此時(shí)進(jìn)出風(fēng)口一側(cè)的流道內(nèi)空氣的流速降低，電池組最高溫度出現(xiàn)在9，10號(hào)電池處。

3.3 電池間距的影響

保持電池箱進(jìn)風(fēng)角度和出風(fēng)角度不變，公差值C分別取離散值0（初始值）、0.2、0.5.0.8mm，并建立相應(yīng)的仿真模型，計(jì)算得到4個(gè)模型的電池組最高溫度和溫差與公差值C的關(guān)系曲線，如圖6所示。當(dāng)公差值C值為0.5時(shí)，電池組的最高溫度和溫差均較低，電池組散熱效果較好。因?yàn)殡S著公差值C的增大，1-5號(hào)流道的間距不斷變大，流入的空氣流量不斷增多，空氣流速不斷增大，而6-10號(hào)電池間距逐漸減小，空氣流速不斷降低。當(dāng)公差值C值為0.5時(shí)，電池組各流道內(nèi)流速均勻性最好。

③飲食指導(dǎo)：由研究人員結(jié)合孕婦的具體情況（孕周、體重指數(shù)、血糖控制情況）來(lái)制定科學(xué)的營(yíng)養(yǎng)食譜，總熱量攝入?yún)⒖蓟颊叩腂MI和孕期，在熱量攝入分配上，以碳水化合物為主，糖、蛋白質(zhì)、脂肪三大營(yíng)養(yǎng)素功能比為（50%～70%、15%～20%和 20%～30%），在食物的選擇上，主食選取富含纖維素的食物或全谷類(lèi)食物、推薦雜糧飯為主的主食[2]，多食用蔬菜和水果，水果應(yīng)選擇低糖分水果如黃瓜、西紅柿、柚子、櫻桃等，適當(dāng)選擇魚(yú)肉、蛋奶、瘦肉、豆制品，滿(mǎn)足蛋白質(zhì)和脂肪攝入，嚴(yán)格限制精糖、燒烤、腌制、熏制食物及甜品的攝入等。提倡少食多餐，在三餐之外合理加2～3餐，但維持總攝入量不變。

通過(guò)上面的分析可知A、B、C的最優(yōu)分別為8、30、0.5。然后選取改組數(shù)據(jù)進(jìn)行模型仿真模擬與初始模型相比最高溫度與溫差均有明顯降低，電池組的溫度分布相對(duì)較均勻。

地理國(guó)情要素和地表覆蓋數(shù)據(jù)雖屬2類(lèi)成果，但它們之間存在必然的邏輯關(guān)系。例如，地理國(guó)情要素中的道路中心線應(yīng)位于地表覆蓋道路圖斑面內(nèi)，地理國(guó)情要素中水域的高水界應(yīng)大于地表圖斑中水面的范圍，地理國(guó)情要素中單位院落的點(diǎn)位應(yīng)位于地表覆蓋數(shù)據(jù)中房屋建筑的范圍內(nèi)等。在檢查中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在此類(lèi)要素中會(huì)出現(xiàn)邏輯約束關(guān)系不合理現(xiàn)象。作業(yè)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此類(lèi)要素的聯(lián)動(dòng)更新問(wèn)題，切勿顧此失彼。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)鋰子電池組散熱結(jié)構(gòu)分析，有利于改善電池組散熱效果，提高電池組溫度均勻性，保障電池組使用壽命及性能，提高電動(dòng)汽車(chē)的可靠性與安全性。本文分析了電動(dòng)汽車(chē)強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)單因素變量分析法，利用仿真技術(shù)對(duì)影響電池組風(fēng)冷散熱效果的進(jìn)風(fēng)角度、出風(fēng)角度和電池間距的因素進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果可以提高電池組的散熱性能及溫度均勻性，確保電動(dòng)汽在實(shí)用中鋰子電池組具有高效散熱性能。

[1]葛子敬.電動(dòng)汽車(chē)磷酸鐵鋰電池組風(fēng)冷散熱系統(tǒng)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2016.

[2]李淼林，臧孟炎，謝金紅，李長(zhǎng)玉，程清偉.鋰離子電池組風(fēng)冷散熱仿真與優(yōu)化[J].電源技術(shù)，2019，43（11）：1805-1809.

[3]葛子敬，臧孟炎，葉鵬，謝金紅.電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組風(fēng)冷散熱仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2015，44（10）：24-28.

[4]金鈺.車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)強(qiáng)制風(fēng)冷散熱特性研究[D].湖南大學(xué)，2018.

[5]王天波，陳茜，張?zhí)m春，貝紹軼.電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2020，44（03）：371-376.

[6]孫建.電池組散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化探析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（17）：92，94.