动力电池的散热特性作为电动汽车设计开发的一部分，是人们长期重点研究对象之一。为了改善电池组温度均匀性，本文采用强制风冷方案，对影响动力电池散热特性的进出风道提出进出风道在同侧和进出风道在异侧两种方案，并通过CFD模拟计算及试验，给出了合理建议。

前言

混合动力汽车已经逐渐成为未来汽车的重要发展方向之一。但迄今为止，制约整个电动汽车行业发展的重要因素之一是电动汽车用动力电池。蓄电池的基本功能是储备能量，因此无论是高比能型电池还是高功率型电池，其储备能量的能力大小都至关重要。从20世纪90年代初，日本、美国、法国和德国等纷纷制定了相应的电动汽车动力电池发展计划。根据美国先进电池联合会（USABC）和日本企业对各种动力电池性能以及发展潜力的比较论证，综合考虑电池的可靠性、安全性、电池材料的资源与环境问题以及电池性能的发展趋势，我们认为镍氢电池是近期和中期电动汽车首选动力电池。

动力电池均是成组使用的，温度的变化势必会使电池之间存在一定的温度差异性。温差主要影响电池组的整体寿命和稳定性。在所有环境因素中，温度对电池的充放电性能影响最大，因为在电极、电解液界面上的电化学反应与环境温度有关，电极、电解液界面被视为电池的心脏。如果温度下降，电极的反应率也下降，假设电池电压保持恒定，放电电流降低，电池的功率输出也会下降。如果温度上升则相反，即电池输出功率会上升，温度也影响电解液的传送速度温度上升则加快，传送温度下降，传送减慢，电池充放电性能也会受到影响。但温度太高，如超过45 ℃，会破坏电池内的化学平衡，导致副反应。

电池包进出风道的布置位置不同，对电池箱体内电池的温度水平和最大温差有明显的影响。

电池组风道布置

很多研究人员和厂家针对如何兼顾冷却效果和模块温度均匀化设计出了很多电池组散热系统。目前较常用的散热方式中，按照电池组散热方法是否受制于外界环境，分为被动冷却系统和主动冷却系统。现有的研究中，散热主要方法为被动冷却系统和主动冷却系统。被动冷却系统在某种程度上只能缓解电池的发热情况，电池的工作条件受外界环境的影响；主动冷却方法种基本上摆脱了环境因素影响，可以通过某种冷却方式使电池维持在相对较优的工作温度，是今后系统设计的趋势。与其他方法相比，空冷结构相对简单、维护方便、成本低，是混合动力汽车电池组中应用最广泛的散热方法。强制气流可以通过风扇运行产生，也可以利用汽车行进中的迎面风。

电动汽车的性能受制于电池组的性能，而电池组的性能与温度密切相关。混合动力汽车用镍氢电池散热系统的目标为：将电池的工作温度控制在其最佳范围20～40 ℃，模块间的温差在5 ℃以下，从而保证电池组的性能，延长其寿命。

本文重点考虑电池包风道的不同布置对电池包散热系统的影响。图1为电池包内电池布置图。同侧风道方案是指电池模组顺序排列配置在电池箱体内，外部进入的冷却气流从电池包一侧进入，通过内部风道进入电池模组之间的缝隙，最后在与进风道同侧位置的出风道处将气体排出（如图2所示）。异侧风道方案是指电池模组顺序排列配置在电池箱体内，外部进入的冷却气流从电池包一侧，通过内部风道进入电池模组之间的缝隙，最后在与进风道相反方向位置的出风道处将气体排出（如图3所示）。

仿真分析

利用CFD软件对两种方案进行模拟计算，对不同风道位置的流速分布进行分析。

1.全视图

图4为同侧进出风道方案，图5为异侧进出风道方案。

从图4和图5对比来看，均存在流速较小区域，流速小于1m/s。图5出风口处风速更高，距出风口位置较远处比图4流速好一些。同侧进出风道方案，空气从进气管进入到电池组底部，到达右方后回流至左侧，这种回流现象将导致热循环，不利于电池上下部散热。相对于同侧进出风道方案，异侧进出风道方案气流从左侧进口进入到电池组底部，直接到达右方，能够减小电池热循环程度，有利于降低电池上部的最高温度。

2. 底视图

图6为同侧进出风道方案，图7为异侧进出风道方案。

通过图6和图7对比，图7底部流场流速分布更加均匀，流速更大，图6电池组一侧气流速度较低。

3. 断面图

图8和图9为同侧进出风道方案，图10和图11为异侧进出风道方案。由此可知，同侧进出风道方案电池表面气流最高速度与最低速度相差较大，可能导致电池表面散热不均、温升较大，影响电池性能；异侧进出风道方案提高电池左侧气流流速，有利于电池左侧上部散热。

与同侧进出风道方案相比较，异侧进出风道方案电池表面气流速度分布均匀，方案较优。

通过流场分析，沿模块轴向速流情况基本是均匀的，但是由于电池工作时，电池内部温度不断上升。气流从进口到出口温度逐渐升高，使上游电池的散热条件要优于下游电池。故建议尽量减小下游风道的面积，使下游的流速增大，提高电池内部流速，带走内部热量。

试验介绍

同侧进出风道方案试验温度为11 ℃，恒温放置1天。异侧进出风道方案试验温度为22 ℃，恒温放置1天。试验开始，采用试验计划方案进行试验，当电池包温度达到30 ℃时，电池包风扇起动。

电池包内，放置36个温度传感器对电池包内模块进行温度采集，按照图2和图3位置所示，从左到右的温度传感器排列顺序依次为1、2、3等数字递增。要求电池在SOC 30%～70%区间运行，通过对电池包不间断地进行恒电流充电，恒电流放电持续测试。电池单体上的测温点曲线如图12所示，方案一为同侧进出风道方案，方案二为异侧进出风道方案。

由图12可知，方案一的最大温差为11.93 ℃，方案二的最大温差为6.33 ℃，同时方案二的整体温度比方案一的温度更加平缓。

由于温度采集点布置的位置不同，可能对试验结果带来一定误差，但此次试验结果方案二整体温度阶梯趋于平缓。由此，得出结论：在电池包内部排布相同的情况下，异侧进出风道方案对电池内部散热系统较好，温度分布比同侧进出风道方案更加均匀，有利于电池性能的提高。

结论

为了提高设计效率，可以借助软件分析设计方案，其结果对于实际方案具有参考作用。同时，通过试验验证，根据试验结果对两种方案进一步分析，从而找到比较合适的电池散热方案：

（1）通过流场分析，沿模块轴向流速情况基本均匀，但是由于电池工作时放热，气流从进口到出口温度逐渐升高，所以上游电池要比下游电池散热条件要好。在设计中，应该尽量减小下游风道的面积，以增大下游的流速，平衡上下游的散热条件；

（2）流场分析中，异侧进出风道方案存在热循环，建议设计中尽量避免或减少热循环区域；

（3）温度试验证明，异侧进出风道方案对于电池内部散热系统较好，温度分布比同侧进出风道方案更加均匀。

综上所述，在不考虑系统误差的影响下，异侧进出风道方案比同侧进出风道方案散热情况更好。由于电池试验温差没有达到5 ℃要求，后期可以考虑改进电池内部排布、增加导流板、设计适合于平行流的风道和减小下游风道的面积等手段，减小电池包内部温差，达到模块间温度的均匀性。