车用锂离子动力电池风冷散热系统研究进展_杨朝蓬.pdf

2023.1Vol.47No.1综述收稿日期：2022-06-20作者简介：杨朝蓬(1987)，男，湖北省人，硕士，高级工程师，主要研究方向为动力电池系统研制。车用锂离子动力电池风冷散热系统研究进展杨朝蓬，张宁，段志宇(中国电子科技集团公司 第十八研究所，天津 300384)摘要：锂离子电池作为电动汽车动力电池首选，维持其工作在最佳温度范围需要应用散热系统。针对常用的风冷散热系统，阐述了不同类型的特点，综述了国内外在电池内部流道、进出风口结构、冷却空气流体参数等方面开展的仿真与实验研究，以及采用优化算法和优化策略，改善电池内部温度和温差的优化设计研究。为克服风冷散热系统冷却效率低及密封性不足的问题，基于风冷散热系统的混合冷却系统被研究者广泛提出。关键词：锂离子电池；风冷散热系统；温度；温差；混合冷却系统中图分类号：TM 912文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)01-0002-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.001Research progress on air-cooling heat dissipation system of vehiclelithium ion power batteriesYANG Zhaopeng,ZHANG Ning,DUAN Zhiyu(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)Abstract:Lithium ion batteries are preferred as electric vehicle power batteries,maintaining their work in optimaltemperature range requires a heat dissipation system.For the commonly used air-cooling heat dissipation system,different types of characteristics had been described,and the simulation and experimental studies of domestic andforeign were summarized on flow paths,entering and exiting wind,cooling air fluid parameters,etc.The optimizationalgorithms and optimization strategies for improving internal temperature and temperature difference in batterieswere also outlined.In order to overcome the problem of low cooling efficiency and insufficient sealing,hybrid coolingsystem based on the air-cooling heat dissipation system was widely proposed by the researchers.Key words:lithium ion batteries;air-cooling heat dissipation system;temperature;temperature difference;hybridcooling system随着环境污染与能源紧缺问题加剧，世界各国加大了电动汽车的研发力度，而动力电池作为电动汽车的动力来源，受到各国政府和主要汽车制造厂商的重点关注。锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、自放电率低、无污染排放等特点，成为目前电动汽车首选的动力电池体系。锂离子动力电池的性能和寿命在很大程度上与工作温度有关，通常最佳工作温度在1540，温差低于5。在充放电过程中电池自身产热会导致温度上升，适当的散热冷却技术可以减少温度对电池组的负面影响，提高动力电池的效率和安全性，降低老化率，延长使用寿命。车用锂离子动力电池散热系统冷却方式主要有：风冷、液冷、相变材料(PCM)冷却、热管(HP)冷却等。风冷、液冷是应用最广泛的冷却方式，受技术水平限制，当前国内主要采用风冷，有少数电动车也开始采用系统更为复杂的液冷，如吉利帝豪EV、江淮iEV7S，而国外发达国家更多采用液冷，如美国特斯拉、雪佛兰沃蓝达。作为新型冷却方式，相变材料和热管冷却还处于研究和小规模应用阶段。本文介绍了车用锂离子动力电池风冷散热系统的主要类型及特点，综述了近几年国内外关于风冷散热系统的应用及研究进展。1 风冷散热系统特点风冷散热系统具有结构简单、质量轻巧、成本低，无有害气体积压和漏液风险，但不足之处是散热效率低，密封设计难度大，防尘、防水效果差。根据冷却风源是否使用额外装置引入，风冷散热系统分为自然风冷和强制风冷。1.1 自然风冷将车辆行驶过程中产生的迎风风流经导流管导入电池组内部通道进行直接冷却的方式叫做自然风冷。该方式不需要辅助电机、结构简单、使用方便，但冷却气流会因车速变化而不稳定，冷却效果差异较大，而且空气的热容和热导率都很低，自然对流表面换热系数小。自然风冷适合应用于动力电池放电倍率小、产热率低的汽车，如比亚迪在秦、唐、宋、E6、腾势等采用磷酸铁锂电芯的车型上都采用了自然风冷。限于电池组成本、整车续航里程以及零部件体系等因素，国内大部分300 km续航里程以下的纯电动车目前大都选用自然风冷。1.2 强制风冷以消耗电池能量为代价，利用风扇或者空气泵来促进空气流动，形成强制对流来强化传热的方式叫做强制风冷。该方式能够提供稳定的冷却气流，但结构相对复杂。自然风冷22023.1Vol.47No.1综述一般要求动力电池本身发热量小，且布置空间的空气流动顺畅，国内目前的电池制造能力还达不到该水平，故强制风冷是国内主流的风冷散热类型。强制风冷在国外早期的电动乘用车上应用广泛，如日本丰田 Prius、本田 Insight、日产聆风、通用Volt、起亚Soul EV等，在国外的电动巴士、电动物流车中也被广泛应用。根据空气来源不同，强制风冷散热系统可分为环境风冷却和空调风冷却。动力电池多安装于车辆地板下方，环境风冷却因绝缘故障等因素未见批量生产车型中。因此，强制风冷多指空调风冷却，根据空调风来源不同，又分为两种形式：(1)舱内引风式：环境空气经整车空调冷却之后进入乘员舱，随后由乘员舱通入动力电池内，最后由风扇将其排入到环境中。国内大多数汽车企业采用该方式，如江淮 iEV4、上汽荣威MARVEL X。(2)独立风冷式：环境空气经电池系统自身空调冷却后直接引入，散热效率相对较高，也避免了风量需求大时乘员舱出现负压感受，但相应增加了成本和能耗，美国CODA公司与长安哈飞合作的长安E30采用了该方式。2 风冷散热系统研究进展针对自然风冷和强制风冷散热系统，国内外研究主要基于计算流体动力学(CFD)分析电池内部流道、进出口结构、冷却空气流体参数等因素对电池组整体温度值高低及温度均匀性的影响规律，采用优化策略对风冷散热系统参数进行优化设计，以期望获得更好的系统散热效率，改善电池组温度场分布。2.1 内部流道在电池内部，单体或模组因排布形式不同而形成不同的流道结构。根据空气在流道内的流通方式，电池内部的冷却模式主要分为串行风冷和并行风冷。如图1所示，串行风冷时冷却空气从电池一侧通入，依次流经各个单体。如图2所示，并行风冷时冷却空气均匀流经并列排布的单体间隙。相比于并行风冷，串行风冷下冷却空气在流动过程中逐渐被加热，与单体的温差逐渐减小，对流换热能力下降，靠近出口侧的单体散热效果比进口侧差1，温度分布均匀性较差。并行风冷需要对进、出口处流道结构进行特殊设计，满足不同位置处的进风量和压力角度，从而保证流场分布均匀性，因此结构相对复杂。一般情况下，串行风冷多适用于采用圆柱单体的动力电池，并行风冷多适用于采用方形单体的动力电池2。为了改善串行风冷和并行风冷模式下的散热效率和散热均匀性，在流道设计方面，可通过改变单体的排布方式或排布间距来实现。串行风冷下常用的排布方式如图3所示，主要包括平行顺排、交叉排列、错位排列、梯形叉排等。并行风冷下常用的排布方式如图4所示，主要包括行排列和列排列。对于不同排布方式、排布间距的影响结果，针对具体应用场景开展了众多研究。李康靖等3对 18650圆柱锂离子动力电池包 2 C放电时的温度场进行了仿真分析，发现顺排比叉排、错排散热效果要好，减小顺排单体间距可抑制最高温度，但会消减温度均匀性。张继华等4运用 COMSOL 仿真平台计算了21700圆柱锂离子电池组5 C充放电温度场分布，得出交叉排列比平行排列的最高温度更低、温差更小，随着单体间距的加大，电池组最高温度降低。彭睿等对比平行顺排和梯形叉排两种散热方案，发现梯形叉排散热方案上游和中游处最高温度下降更多、散热均匀性更好，但下游处因排布间距小、热量积聚，下表面散热效果不如平行顺排。张鑫等5运用 FLUENT 仿真软件分析了方形锂电池并行风冷温度场分布，发现列排列单体的温度和温差整体上低于行排列。因此在散热系统设计时，应根据所选电芯种类、放电功率、电池包结构尺寸来确定单体排布方式、排布间距。2.2 进出风口结构风冷散热系统的进出风口位置、尺寸、形式，直接决定了进入电池组内部的冷却空气流动方向和风量，对内部流场分布具有较大影响，会影响散热效果。Xu等6研究发现自然风冷下带通风口的电池组比不带通风口的最大温升和最大温差分别降低了约 23.1%和 19.9%。Yang等7利用速度场与温度梯度场协同原理分析发现电池组上出风模式具有最佳的冷却效果，当进气量为 0.444 m/s时，最大温升和最大热源温差可控制在 7.01和 3.08。E等8研究表明位于不同侧的进出口冷却性能优于相同侧。张新强等9采用数值模拟发现当通风孔与出风口面积相等时，电池组冷却效果最佳，继续增大通风孔面积，并不能明显提高电池组的冷却效果。王天波等10研究发现在进出口面积不变的情况下，进出口形状为圆形时，散热效果最佳。徐辉11发明了若干与电池模块内部贯通的喇叭状收风器，收风器大口均朝向车辆行驶方向，保证自然风冷下不同电池模块具有较为对等的进风量，减少模块间散热差异。兰海侠等12在空气出入口流道上分设倾斜的分流板，提高了并行风冷下散热效果。为了改善串行风冷下冷却空气依次流动导致温度分布不均匀的问题，可以通过控制进出口动作来改变内部空气流动模式，扰动流场，提升散热均匀性。如图 5(a)所示，袁征等13在电池一侧设置一个进风口，另一侧设置两个出风口，通过图1串行风冷图2并行风冷图3串行风冷单体排布方式图4并行风冷单体排布方式32023.1Vol.47No.1综述控制两个出风口开关阀门交替开启或关闭，实现空气在电池箱体中变向循环流动；如图5(b)所示，马永笠等14提出了一种使用进出口鼓风机交替工作实现电池组内部空气往复流动的方案，该方案下电池组整体温度保持在 2545，最大温差控制在指定温度；如图5(c)所示，宋俊杰等15提出了反向分层风冷结构，该结构下各电池温度分布非常均匀。2.3 冷却空气的流体参数冷却空气流体参数主要包括冷却空气温度和入口风速，这两个参数对风冷散热系统的散热效率和散热均匀性也有着明显影响。汪缤缤等16通过对 48 只圆柱锂离子电池组成的电池包进行风冷散热研究，发现随着入口风速的增加，电池包的最高温度和最大温差降低，但当入口风速大于 3 m/s后，最高温度和最大温差降低速度明显减小；降低入口冷却空气温度，可以降低电池包最高温度，但对电池包的温差影响很小。刘显茜等17通过三维瞬态计算，发现增大入口风速可提升电池组散热性能，改善温度均匀性，降低进风温度可防止电池组因局部温度过高而出现热失控，但无法有效抑制温度均匀性。冷却空气温度由风源决定，若风源为环