電池怕水又怕熱，這是大家都知道的，動力電池是電動汽車的心臟，要耐得了高溫、防得了水、受得住凍。而一旦電動汽車出了事，最先想到的就是“心臟”出了問題，那在這樣的高溫天氣下，動力電池能靜下“心”嗎？

汽車電池散熱需求分析

隨著科技的發(fā)展及節(jié)能減排的政策要求，各類交通工具及設備越來越多得將電池作為動力源。新能源汽車及其他設備所使用的電池主要分為三大類，即為化學電池、物理電池以及生物電池。如圖1所示

（圖1 汽車用電池分類）

汽車電池的選用，主要根據(jù)以下標準進行，如圖2所示。一般混合動力汽車（HEV）使用比功率高的電池，而純電動汽車（EV）選用比能量高的電池。

（圖2 汽車用電池選擇標準）

不同類型的電池只有工作在一定溫度范圍內(nèi)，才能保證性能和壽命，如鉛酸電池溫度在35～40℃之間，氫鎳電池在0～40℃之間，鋰離子電池在-20～75℃之間。不同溫度下電池的放電效率如圖3所示。 

（圖3 不同溫度下電池放電效率）

電池作為電動汽車中的主要儲能元件，是電動汽車的關(guān)鍵部件，直接影響到電動汽車的性能。而電池組的熱管理對于現(xiàn)代電動汽車是必需的，原因在于

(1)電動汽車電池組會長時間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中，這將縮短電池使用壽命、降低電池性能；

(2)電池箱內(nèi)溫度場的長久不均勻分布將造成各電池模塊、單體性能的不均衡；

(3)電池組的熱監(jiān)控和熱管理對整車運行安全意義重大。

汽車電池散熱解決方案的選擇

電池種類不同，其生熱的原因有所不同，但主要包括以下4個方面：電池化學反應生熱、電池極化生熱、過充電副反應生熱、內(nèi)阻焦耳熱。 在確定電池的生熱量后，通過合理選用冷卻方式及散熱結(jié)構(gòu)即可保證電池的工作溫度。 

傳熱介質(zhì)的選擇 

傳熱介質(zhì)的選擇對電池組工作溫度有很大影響。按照傳熱介質(zhì)分類，電池組冷卻系統(tǒng)可分為空冷、液冷及相變材料冷卻3種方式?？諝饫鋮s是最簡單方式，只需讓空氣流過電池表面。液體冷卻分為直接接觸和非直接接觸兩種方式。礦物油可作為直接接觸傳熱介質(zhì)，水或者防凍液可作為典型的非直接接觸傳熱介質(zhì)。液冷必須通過水套等換熱設施才能對電池進行冷卻，這在一定程度上降低了換熱效率。電池壁面和流體介質(zhì)之間的換熱率與流體流動的形態(tài)、流速、流體密度和流體熱傳導率等因素相關(guān)。 

散熱結(jié)構(gòu)的選擇 

電池箱內(nèi)不同電池模塊之間的溫度差異，會加劇電池內(nèi)阻和容量的不一致性，如果長時間積累，會造成部分電池過充電或者過放電，進而影響電池的壽命與性能，并造成安全隱患。電池箱內(nèi)電池模塊的溫度差異與電池組布置有很大關(guān)系，一般情況下，中間位置的電池容易積累熱量，邊緣的電池散熱條件要好些。所以在進行電池組結(jié)構(gòu)布置和散熱設計時，要盡量保證電池組散熱的均勻性。以空冷散熱為例來，通風方式一般有串行和并行兩種，如圖4和圖5所示。

（圖4 串行通風示意圖）

（圖5 并行通風示意圖）

圖4所示串行通風方式下，冷空氣從左側(cè)吹人從右側(cè)吹出?？諝庠诹鲃舆^程中不斷地被加熱，所以右側(cè)的冷卻效果比左側(cè)要差，電池箱內(nèi)電池組溫度從左到右依次升高。第一代豐田Prius和本田Insight都采取了串行通風方式。 

圖5所示，并行通風方式使得空氣流量在電池模塊間更均勻地分布。并行通風方式需要對進排氣通道，電池布置位置進行很好地設計。豐田新Prius采用的就是并行通風結(jié)構(gòu)，其楔形的進排氣通道使得不同模塊間縫隙上下的壓力差基本保持一致，確保了吹過不同電池模塊的空氣流量的一致性，從而保證了電池組溫度場分布的一致性。 

從提高電池組工作性能角度來看，并行通風方式優(yōu)于串行通風方式，在熱管理系統(tǒng)中更為常用。 

某HEV電池組CFD散熱解決方案案例分析 

混合動力汽車的性能受制于電池組的性能，而電池組的性能與溫度密切相關(guān)?；旌蟿恿ζ囉面嚉潆姵厣嵯到y(tǒng)的目標為：將電池的工作溫度控制在其最佳范圍20 ℃～40 ℃，模塊間的溫差在5 ℃以下。 

重點考慮電池包風道的不同布置，對電池包散熱系統(tǒng)的影響。同側(cè)風道方案是指電池模組順序排列配置在電池箱體內(nèi)，外部進入的冷卻氣流從電池包一側(cè)進入，通過內(nèi)部風道進入電池模組之間的縫隙，最后在與進風道同側(cè)位置的出風道處將氣體排出。異側(cè)風道方案是指電池模組順序排列配置在電池箱體內(nèi)，外部進入的冷卻氣流從電池包一側(cè)，通過內(nèi)部風道進入電池模組之間的縫隙，最后在與進風道相反方向位置的出風道處將氣體排出。

（電池組示意圖）

（同側(cè)風道方案）

（異側(cè)風道方案）

CFD仿真結(jié)果

（同側(cè)風道流線圖）

（異側(cè)風道流線圖）

同側(cè)進出風道方案，空氣從進氣管進入到電池組底部，到達右方后回流至左側(cè)，這種回流現(xiàn)象將導致熱循環(huán)，不利于電池上下部散熱。相對于同側(cè)進出風道方案，異側(cè)進出風道方案氣流從左側(cè)進口進入到電池組底部，直接到達右方，能夠減小電池熱循環(huán)程度，有利于降低電池上部的最高溫度；異側(cè)進出風道底部流場流速分布更加均勻。

（同側(cè)風道速度云圖）

（異側(cè)風道速度云圖）

從上述兩組圖中可知，同側(cè)進出風道方案電池表面氣流最高速度與最低速度相差較大，可能導致電池表面散熱不均、溫升較大，影響電池性能；異側(cè)進出風道方案提高電池左側(cè)氣流流速，有利于電池左側(cè)上部散熱。與同側(cè)進出風道方案相比較，異側(cè)進出風道方案電池表面氣流速度分布均勻，方案較優(yōu)。 

通過流場分析，沿模塊軸向速流情況基本是均勻的，但是由于電池工作時，電池內(nèi)部溫度不斷上升。氣流從進口到出口溫度逐漸升高，使上游電池的散熱條件要優(yōu)于下游電池。故建議盡量減小下游風道的面積，使下游的流速增大，提高電池內(nèi)部流速，帶走內(nèi)部熱量。 

仿真結(jié)果驗證 

同側(cè)進出風道方案試驗溫度為11℃，恒溫放置1天。異側(cè)進出風道方案試驗溫度為22℃，恒溫放置1 天。試驗開始，采用試驗計劃方案進行試驗，當電池包溫度達到30℃時，電池包風扇開始啟動。 

電池包內(nèi)，放置36 個溫度傳感器對電池包內(nèi)模塊進行溫度采集，按照電池組示意圖位置所示，從左到右的溫度傳感器排列順序依次為1、2、3 等數(shù)字遞增。要求電池在SOC 30%—70%區(qū)間運行，通過對電池包不間斷的進行恒電流充電，恒電流放電持續(xù)測試。電池單體上的測溫點下圖所示，方案一為同側(cè)進出風道方案，方案二為異側(cè)進出風道方案。

（兩種方案溫度分布對比）

溫度試驗證明，異側(cè)進出風道方案對于電池內(nèi)部散熱系統(tǒng)較好，分布比同道方案更加均勻。 

由于電池試驗溫差沒有達到 5℃要求要求，后期可以考慮改進內(nèi)部排布，增加導流板、設計適合于平行流的風道，利用駕駛室排除的空氣，減小下游風道的面積等手段，減小電池包內(nèi)溫差，達到模塊間溫度的均勻性。