混合动力汽车冷却锂离子电池的空气流动配置设计



混合动力汽车冷却锂离子电池的空气流动配置设计

混合动力汽车一般采用锂离子电池，而汽车行业中最关键的问题是如何获得高能量密度电池。在汽车电池布局受限的情况下，车辆的热管理是非常重要的，而强制空气冷却是汽车行业的实际选择。运用理论研究和数值模拟对空气冷却式电池系统的气流结构进行设计，以满足所需的热管理。采用热阻模型进行冷却性能分析，典型的混合动力汽车电池系统包括堆叠的多个电池，其冷却性能主要取决于冷却剂通道内气流的均匀分布，消散电池产生的热量。考虑空气流动配置的局限，通过采用锥形管和卸压通风获得所需的冷却性能，空气压力减轻可使操作风机的耗电量也得到改善。本研究为混合动力汽车、电动汽车和燃料电池电动汽车的电池冷却系统提供了一个设计准则。

混合动力汽车的电池系统由72个电池合成，可提供270V电压和1400Wh的电能。在电池单元之间形成3mm的冷却剂通道，电池单元以245W/m2散热通量向外散热（图1），总共安装36个电池单元，形成37个冷却剂通道。电池系统的总尺寸是225mm× 191mm×191mm。进口和出口歧管高20mm，冷却剂通道的尺寸是3mm×65mm×151mm。

以下是混合动力汽车空气冷却系统设计的限制条件。

（1）热设计规范：电池单元和进气口空气之间的最大温差低于20℃。

（2）空气流量：最大流量是0.045m3/s。

（3）进口和出口区域位于同一侧。

（4）进口和出口歧管的高度低于20mm。

（5）在功耗最低的条件下操作风扇压降应该最小。

由于混合动力汽车电池系统的布局限制，因此进口和出口都应该位于同一侧。冷却剂通道内空气流量的分布直接影响电池系统的温度，因此歧管的优化设计很重要。5种流行设计如图2（弯曲的箭头表示气流线）。I型有长方形的歧管；而II型和III型在垂直方向设计有锥形阀组（可在20～10mm范围内进行线性扩展或收缩）；IV型是考虑用于比较的；V型将矩形通风孔加到III型的出口总管处。

刊名：Journal of Power Sources（英）

刊期：2013年第239卷

作者：Heesung Park

编译：赵唤