【编者按】《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》将于8月份出版，该书是继《电动汽车动力电池系统安全分析与设计》之后系列丛书的第二本专著，由王芳、夏军等多位专家耗时一年联袂打造，内容涵盖动力电池系统的技术发展综述、系统设计、结构设计、BMS设计、热管理设计、结构仿真分析、测试验证，以及生产制造技术，全方位多角度为读者提供最佳的工程实践参考。本文节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第二章“动力电池系统总体方案设计”。

第五章：电池包强制风冷系统设计

一. 强制风冷系统

强制风冷是通过风扇将空气引入箱体内部，空气在风扇的作用下，以一定的流速掠过模组或者电芯的外表面，并将电芯产生的热量散入到环境空气中。强制风冷方式常见于早期的纯电动乘用车、纯电动大巴以及储能。

强制风冷系统设计主要包括风道设计、风扇选型、冷却空气温度选择、热流体仿真分析和测试验证等内容。

1、风道设计

对于强制风冷系统设计来说，风道的设计是十分关键的。良好的风道设计不仅可以提高散热的均匀性，而且还可以降低系统的流动压降。

从散热界面来看，强制风冷系统的风道可以分为电芯间隙风冷和电芯底部风冷。图5-14（a）所示的是电芯间隙风冷原理图，冷风以一定速率流过电芯间隙并将电芯产生的热量传递到周围环境中；图5-14（b）所示的是电芯底部风冷原理图，电芯产生的热量先通过导热的方式传递到电芯底部的冷却风道上，然后通过空气的强制对流换热将热量传递到周围环境中。上述两种风道各有优缺点：对于电芯间隙风冷来说，风道的设计过程相对来说比较简单，但系统的流动阻力往往比较大；对于电芯底部风冷来说，风道比较规则，因此系统的流动阻力比较小，并且可以在风道中设计散热翅片以强化换热。

图5-14电芯间隙风冷和电芯底部风冷原理图

根据空气的流动形式可以分为：串行方式和并行方式。串行方式的优点是结构简单，缺点是散热均匀性差，且系统流动阻力比较大；相对于串行方式，并行方式的散热均匀性更好一些，且流动阻力比较小，但并行方式的结构较为复杂，占据的空间也更大。图5-15（a）所示的是电芯间隙冷却情况下串行方式的原理图，在这种方式下，冷风逐一掠过电芯并将电芯的热量带走，同时冷风每掠过一个电芯自身的温度就会升高，因此这种方式会使电芯间的温差增大，此外系统的流动阻力也比较大；图5-15（b）所示的是电芯间隙冷却情况下的并行方式的原理图，在这种冷却方式下，冷风并行掠过电芯并将电芯的热量带走，因此电芯间的温差得到了控制，且系统的流动阻力比较小。对于电芯底部冷却的情况，其串行方式和并行方式也有相同的特点，只是情况会稍微简单一些，在此就不一一说明。

图5-15串行方式和并行方式原理图

2、风扇选型

在强制风冷系统设计过程中，除了设计冷却风道之外，选择合适的风扇也非常重要。

对于风扇的选型，最重要的是所选用的风扇必须能够提供足够的升力以保证系统有的足够的冷却空气流量。一般情况下，工程师可以借助热流体仿真分析工具，对冷却风道进行流场分布的仿真，并提取出冷却风道的阻力特征曲线，然后将阻力特征曲线与风扇的压力-流量曲线（即P-Q曲线）进行对比，并选择会合适的风扇P-Q曲线。

除此之外，风扇选型时还需要考虑如下的因素：用于电池系统的风扇通常是直流供电，电压一般为12V或者24V；根据运行方式，风扇可以分为轴流式风扇、离心式风扇和混流式风扇，这三种风扇在使用过程中各有利弊，需要根据实际情况进行选择；此外，还需要考虑风扇的尺寸、重量、噪音、功耗和成本等因素。

3、冷却空气温度选择

用于冷却电池系统的空气，可以是从环境中引入的，也可以是经过热交换器冷却而后引入的。这两种方式的差别很明显：第一种方式的成本和能耗较低，但散热效率也较低；第二种方式的散热效率相对来说较高，但增加了成本和能耗。就目前的风冷应用来说，第一种方式主要用于储能，第二种方式更多地用在纯电动乘用车和纯电动大巴。

图5-16 第二种方式的工作原理图

图5-16所示的是第二种方式的工作原理：环境中的空气经过整车控制体冷却之后进入乘客舱，随后通入电池系统对电池包进行冷却，最后通过风扇将其排入环境空气。

4、热流体仿真分析

在风冷设计过程中，风道内空气热场和流场分布、箱体内部热场和流场分布和电芯内部的温度分布都可以通过热流体仿真分析进行模拟，并根据仿真分析结果进行设计评估、零部件选型和优化设计。

图5-17为某风冷系统P-Q曲线选型图，图中蓝色虚线所示的是根据冷却风道流场分布仿真结果提取出来的风阻特征曲线，图中彩色实线所示的是某风扇供应商提供的同一系列不同型号风扇的P-Q曲线。将风阻特征曲线与风扇P-Q曲线进行对比的结果显示：想要给冷却风道提供特定的流量，只有H和V两种型号的风扇才能满足强制风冷系统对风扇升力的要求，因此可以根据实际情况在H和V型号的两种风扇中选择其一。

图5-17 风扇P-Q曲线选型

5、测试验证

风冷系统设计完成之后，需要进行一系列的测试。这些测试可以归纳为功能性测试、可靠性测试和安全性测试：功能性测试主要是验证电芯的温升和风道内部的流速等参数是否与设计相符；可靠性测试主要是验证风道、风扇和风扇控制模块在电池系统寿命周期内是否能够可靠地运行；安全性测试主要是验证风冷系统零部件失效时是否引起安全风险。

通过上述的描述，本节将强制风冷系统的设计流程进行了一个简单的介绍。综合来看，强制风冷系统的散热效果较自然冷却有明显的提升，但远比不上液冷，此外强制风冷的冷却均匀性也比较差。从结构设计的角度来看，强制风冷需要设计风道，增加风扇，系统的复杂程度也比较高，而且加入风扇使电池系统的密封性很难兼顾。

作者：蒋碧文

返回第一电动网首页 >