文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
动力电池的温度对电动汽车的动力性、经济性和安全性都有重要的影响。电动汽车在运行过程中，动力电池的温度一般在45~60℃之间，由于电池的特性及充放电特性等原因，电池温度会产生波动，从而影响动力电池的性能。
目前，电动汽车常用的电池组热管理方式有以下几种：（1）风冷式，通过通风散热实现电池组冷却；（2）水冷却式，通过冷却液进行降温；（3）相变材料冷却式，通过相变材料实现电池组冷却；（4）液冷式，通过冷却液进行降温。
本文在总结前人研究成果的基础上，采用 CFD数值模拟方法对电池的热物性进行了分析，并对电池组热管理系统进行了优化设计。
电动汽车常用的电池组主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池两种。磷酸铁锂电池具有充放电性能好、工作温度范围广、安全性能好等优点，但其能量密度低，单位质量的能量密度只有铅酸蓄电池的60%左右，且热稳定性较差。
为了提高电动汽车的续驶里程，近年来各国纷纷出台政策，大力支持发展新能源汽车。然而由于纯电动汽车续驶里程有限，限制了其发展。因此，开发新型电动汽车已成为当前电动汽车研究领域的热点。
而风冷式电池热管理系统是将锂离子电池与散热器集成在一起的热管理系统，主要由散热器、风道和电机等组成。当电池包内部产生热量时，通过风道将热量吹到散热器上散热。
在冷却过程中，电池包内部温度不断下降，由电池包自身产生的热量通过风道带走热量。
在电池组内部和外部环境的共同作用下，电池组温度随时间不断变化。电池组温度在不同工作状态下呈现出不同的变化规律，一般分为以下三种：第一种是在正常工作时，电池组内部温度均匀上升；
第二种是在充放电过程中，电池组内部温度波动较大；第三种是在电池过充或过放时，电池组内部温度发生剧烈变化。电动汽车的主要使用工况为高速行驶过程中的高速行驶和爬坡行驶。当电动汽车以中速或低速行驶时，电池包内的温度一般维持在25℃左右；
当电动汽车以中速或高速行驶时，电池包内的温度会下降到25℃左右；当电动汽车以低速行驶时，电池包内的温度会下降到15℃左右。为了使电池组内部和外部环境都能保持相对稳定的工作状态，需要对电池组进行散热管理。
根据热管理系统运行原理不同可以分为主动式和被动式两种。主动式热管理系统是以风冷为主要散热方式。被动式热管理系统是通过自然通风或风扇将热量带走。自然通风是通过风力将热量带走；
风扇是通过发动机带动风力使电池包内部产生强对流来带走热量；被动式热管理系统采用被动散热方式来保证电池组的正常运行。
被动式热管理系统在电动汽车上应用较多的是冷却液冷却方式和相变材料冷却方式。冷却液冷却方式是通过冷却液将电池组内部产生的热量带走；相变材料冷却方式是通过相变材料将电池组内部产生的热量吸收后传递给外界环境。
与风冷式热管理系统相比，风冷式热管理系统具有以下优点：（1）风冷式热管理系统不需要外部空气循环系统来提供动力冷却空气；（2）风冷式热管理系统采用自然通风方式散热，能够保证电池组内部温度均匀性；
（3）风冷式热管理系统通过自然通风散热来控制电池组内部温度波动较小；（4）风冷式热管理系统能够适应不同的气候环境条件；（5）风冷式热管理系统能够避免动力电池由于过充或过放而导致的安全问题；
（6）风冷式热管理系统能够有效延长电池包使用寿命。因此，风冷式热管理系统成为目前电动汽车最常用的电池热管理方式之一。
电池包的通风散热，需要在电池组周围设置导流罩、导流板和风机，这就对风冷式热管理系统的设计提出了更高的要求。
常用的风冷式热管理系统，其主要原理是：电池包周围设置导流罩，以加强电池与环境之间的热交换；电池组周围设置导流板，以增强电池组与外界空气之间的换热；电池组周围设置风机，以增加电池组与外界空气之间的热交换。
本文采用 Fluent软件中的 SIMPLE算法对电池包的风冷式热管理系统进行数值模拟，在满足模拟精度要求的前提下，对模型进行网格划分并设置边界条件，利用 Fluent软件中的 VOF模型计算流体动力学（Virtual VOF）数值模拟电池包周围空气流动情况。
对于电池组周围空气流动情况，利用 Fluent软件中的非稳态k-ε模型计算对流换热系数；在电池包周围空气流动情况下，采用k-ε模型计算辐射换热系数。采用 Fluent软件中的非稳态k-ε模型对电池包周围空气流动情况进行数值模拟。
计算电池包周围空气流速分布及电池包热源分布情况。在不同工况下（环境温度为25℃、30℃、35℃、40℃），分析了不同环境温度、不同电池数量和不同电池包数对电池组热管理系统温度场及流场分布的影响。
本文以风冷式电池组热管理系统为研究对象，建立了动力电池单体模型、风冷式电池组模型和风冷式热管理系统仿真模型，并对仿真模型进行了网格划分。
以风冷式热管理系统为研究对象，考虑风冷式热管理系统的散热能力、散热均匀性和电池温度波动等因素，对电池组进行了参数设计和优化。基于电池包温度波动范围、电池组的电池数量及布置方式等因素。
确定了风冷式热管理系统的关键参数为：进风温度为60℃、出风温度为35℃、冷却液进口流速为2.5m/s、出口流速为1m/s。利用数值模拟方法对风冷式热管理系统进行了优化，
电池组表面平均温度为53.4℃，电池包表面平均温度为64.9℃，电池包最大温差为0.3℃。优化后的风冷式热管理系统中的电池温度波动范围得到了有效控制，电池组的热稳定性得到了提高。
冷却流量:在风冷式热管理系统中，冷却流量对电池包温度控制效果有较大影响。冷却流量过小，不能有效控制电池组的温度；冷却流量过大，则会造成能量浪费。
在设计冷却流量时，要考虑电池包在不同位置的温升差异以及不同电池的散热能力和温度波动范围等因素。当电池包布置在电池模组的中间位置时，电池组中热量通过电池模组向其周围传递，因此，电池组的温升比单体电池要高得多。
冷却结构设计:风冷式热管理系统结构设计过程中，需要考虑冷却结构对电池包散热性能的影响，通过对不同结构参数的风冷式热管理系统进行数值模拟，获得各结构参数对电池包散热性能的影响规律。
在风冷式热管理系统中，冷却通道与电池包的布置方式对风冷式热管理系统的散热性能影响较大，本文以风冷式热管理系统中的冷却通道与电池包之间的布置方式为研究对象，利用仿真模拟软件对不同布置方式下冷却通道与电池包之间的换热情况进行了研究。
在两种布置方式下，冷却液进口流速相同时，随着出口流速的增加，电池包表面平均温度和出口温差都呈下降趋势；但当出口流速相同时，随着进口流速的增加，电池包表面平均温度和出口温差都呈上升趋势。
当冷却液进口流速为2.5m/s时，冷却液从进口到出口的流量达到最大值1m/s；冷却液进口速度为1m/s时，冷却液从出口到进口的流量达到最大值1m/s。不同布置方式下电池包表面平均温度和出口温差随冷却液进口速度变化趋势基本一致。
在电池热管理系统的设计过程中，除了考虑电池本身的参数和环境因素外，还需要综合考虑电池与热管理系统之间的相互作用。
在对风冷式电池热管理系统进行设计时，要充分考虑到动力电池本身的特点和实际使用环境，还要综合考虑电池组在不同的运行状态下对动力电池的温度需求。
同时，对于风冷式电池热管理系统而言，其具有较高的冷却效率，因此在对其进行设计时，要尽可能地提高其冷却效率。
近年来，随着计算机技术的发展，采用 CFD数值模拟方法对动力电池组进行了仿真分析，为动力电池组热管理系统设计提供了新的思路和方法。
本文通过对风冷式动力电池组热管理系统技术进行数值研究，得出了不同散热条件下动力电池组温度场的分布情况以及散热效果。
在风冷式动力电池热管理系统设计过程中，要充分考虑到其与汽车结构之间的相互作用，尽可能地提高其冷却效率。
提高散热效率:提高风冷式动力电池热管理系统的散热效率，是保证其工作性能的重要手段，而采用提高动力电池周围空气流速的方式来提高其散热效率是一种常用的方法。
结果表明：当环境温度在10℃~20℃之间，空气流速为0.5m/s时，动力电池周围空气平均温度达到了22.33℃，风冷式动力电池热管理系统能够很好地满足动力电池正常工作的温度需求。
而在空气流速为0.5m/s、散热器与动力电池之间距离为3 cm时，该动力电池组的温度场分布较为均匀，平均温度达到了22.56℃。同时，随着空气流速的增加，风冷式动力电池热管理系统中冷却液流量也相应地增加。
但冷却液流量过大会导致空气流速过大，增加其流动阻力，从而导致其冷却效率降低。因此，在进行风冷式动力电池组热管理系统设计时，应合理地控制冷却系统中冷却液流量。
本文对风冷式电动汽车电池热管理系统进行了数值研究，通过仿真分析，得出以下结论：
（1）动力电池在冷却系统中的温升与电池的功率密度成正比，与温度成反比。在不同的工作条件下，动力电池的温升随着电流密度的增大而降低。当电流密度为200 mA/cm2时，动力电池温升最小为22.9℃。
（2）电池组内平均温度在25℃~35℃之间时，电池组的温度变化幅度较小；当温度超过35℃时，电池组内平均温度上升幅度较大，当电池温度超过40℃时，电池组内部温升最高可达45℃。
1、李策园.纯电动汽车锂动力电池组温度场特性研究及热管理系统实现[D].吉林大学,2014
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3、王慧磊.电动汽车锂动力电池组热管理系统研究与应用[D]. 黑龙江大学,2012
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大众ID.4CROZZ动力电池热管理系统结构与工作原理随着纯电动汽车的市场快速增长，全球各大汽车生产厂家纷纷开发出各种纯电动汽车，德国大众作为全球的汽车制造企业巨头，打造了电动化车型的生产制造平台MEB（ModularenlektrischBaukasten），MEB是德语“模块化电驱动平台”的缩写。MEB基于汽车制造模块化理念，具有极强的可拓展性，可打造不同车身轴距，并根据不同车型的需求调校出不同的续航里程，在智能化、网联化、自动化等方面实现不断升级和更新迭代。MEB以动力电池为核心，针对不同的车身形式提供更大的轴距、更短的前后悬和更大的车轮满足驾驶需求。
中国一汽-大众近期推出首款MEB车型ID.4CROZZ纯电动车，如图1所示，主要在上汽大众安亭MEB工厂和一汽-大众佛山MEB工厂生产，在整车基础结构保持不变的情况下，电池采用可缩放设计，以实现不同续航里程，每个电池模块采用55kWh及82kWh两种容量电池，不同容量的电池可提供350~550km的续航里程。ID.4CROZZ的高压电池采用独立的模块化设计，每一个电池模组里面又分为24组独立的单元电池，配备强大的热管理系统，具有直接冷却系统，确保即使在高负荷或低温情况下高压电池依然能运行在25~35℃的最佳温度范围。电流、电压和温度参数通过单元模块控制器和主控制单元进行监控。本文主要介绍ID.4CROZZ高压电池热管理系统结构、工作原理及冷却液工作循环回路。
1 高压电池热管理系统概述
纯电动汽车由于高压电池处于不断充电、放电过程，工作时会产生大量热量，热量的产生不仅会导致电池老化，还会使得相关导体上的电阻增大，从而导致电能不是转换为机械能，而是转换成热能释放出去。因此，高压电池通常都配备有热管理系统，一般分为水冷式和风冷式，现在普遍采用水冷式。
2 高压电池热管理系统的作用
—方面由于高压部件工作时，会产生热量，若热量积聚，会影响部件的工作性能，通过此系统带走部件工作产生的多余热量；同时也可将此部分热量再利用，为空调制热提供热源。另一方面，高压电池效能会受温度变化的影响，为确保电池效能，此系统还可以为电池加热。
3 ID.4CROZZ高压电池热管理系统
ID.4CROZZ高压电池热管理系统框图如图2所示，采用Chiller对电池包冷却，采用PTC对电池包加热，全面满足电池包的高低温需求；具备电驱动余热回收功能，通过循环切换，将电机和功率电子的余热收集用于电池包预热；当电池包完成预热，对于热泵配置车型，热泵还可以进一步收集电驱动的余热供给乘员舱，全面提升冬季续航里程。可以选装CO2热泵系统，冬季续航里程提升20%~30%。
4 ID.4CROZZ高压电池热管理系统结构组成
1）高压电池散热器
ID.4CROZZ高压电池散热器采用铝制散热器，如图3所示，安装在蓄电池外壳的外部，有助于防止蓄电池外壳中的高压组件与冷却液接触。高压蓄电池模组通过间隙填料（导热膏）与蓄电池外壳的底部连接。底部保护装置由实心铝制成，可保护散热器免受机械损坏。
2）PTC加热器
高压电池配备了安全性能更高的水暖加热器PTC（图4），负责对高压蓄电池的冷却液进行加热，具备无级调节（PWM）功能。应用PTC加热高效节能，保证了电池低温下的良好性能。相比较MQBHV-PTC，水暖高压加热器体积更小、质量轻、能量密度大、省电性好。
3）整车散热器
车辆前部安装的整车散热器包含冷却散热器、散热器卷帘、冷凝器、散热风扇以及相关导风栅等，如图5所示。散热器卷帘为标准装备，散热风扇优化设计、降噪，导风栅减少进风泄露，同时减低风阻，确保足够的进风量。
4）散热器卷帘（图6）
散热器卷帘100％内置在模块化电驱动平台中，位于冷却液散热器和冷凝器（R134A）/车头气体冷却器（R744）之间。在关闭状态下，卷帘改善了车辆的空气阻力系数，然后根据需要以不同的方式打开车辆前格栅与导流件。为确保足够的进风量，对散热器前部格栅进风面积提出了类似传统车的要求。同时为减少前端进风泄露，降低风阻，并最终提高续航里程，设计了全包围密封件，并匹配进气导流件，提高机舱进气流动密封性。
5）散热器风扇
为满足电动车更高的静音需求，首次在MEB车型采用新型风扇，能降低风扇噪音3dB（78dB→75dB），扇叶数量提升（9→10），风扇直径加大（400→480mm），从而降低转速（400r/min）。
5 ID.4CROZZ高压电池热管理系统的工作原理及冷却液循环回路
1）高压部件冷却液循环回路
ID.4CROZZ热管理系统通过管路将高压部件连接起来，同时借助冷却液及其循环，将高压部件工作产生的热量带走，确保部件不受高温的影响，如图7所示。在温度较低时，热管理系统通过PTC加热器加热冷却液，从而为高压电池进行加热，使其保持在合适的工作温度范围，减少电能损耗。
由于冷却液与高压电池模组不会发生接触，因此冷却液膨胀罐不需要密封。管路连接复杂，维修时必须严格按照维修手册指导进行操作。
2）不带热泵的冷却液回路见图8a，带热泵的冷却液回路见图8b。
6 ID.4CROZZ高压电池热管理系统的冷却和加热回路
1）蓄电池未冷却或未加热时，ID.4CROZZ高压电池热管理系统的散热器旁路开启，如图9a所示。此时节温器温度<15℃，蓄电池温度为8~35℃，热泵无工作需求。节温器打开散热器旁路，蓄电池预热混合阀2V696打开温度最低的低温冷却回路。此时只有低温回路冷却液泵V468被激活。
2）蓄电池被加热时，ID.4CROZZ高压电池热管理系统的散热器旁路开启，如图9b所示。此时节温器温度<15℃，蓄电池温度<8℃，此时热泵无工作需求。节温器打开散热器旁路，蓄电池预热混合阀2V696打开温度最低的低温冷却回路，蓄电池预热混合阀V683打开蓄电池加热回路，此时2个冷却液泵均被激活。
3）蓄电池未冷却或未加热时，ID.4CROZZ高压电池热管理系统的散热器内有冷却液流动，如图10a所示。此时节温器温度>15℃，蓄电池温度为8~35℃，此时热泵无工作需求。节温器关闭散热器旁路，蓄电池预热混合阀2V696打开温度最低的低温冷却回路，此时只有低温回路冷却液泵V468被激活。
4）蓄电池由冷凝器热交换器冷却时，ID.4CROZZ高压电池热管理系统的散热器内有冷却液流动，如图10b所示。此时节温器温度>15℃，车辆运行期间蓄电池温度>35℃，充电期间蓄电池温度>30℃，此时热泵无工作需求。
节温器关闭散热器旁路，蓄电池预热混合阀2V696打开温度最低的低温冷却回路，蓄电池预热混合阀V683打开蓄电池冷却回路，此时2个冷却液泵均被激活。
5）蓄电池由低温回路冷却时，ID.4CROZZ高压电池热管理系统的散热器内有冷却液流动，如图11a所示。此时节温器温度>15℃，蓄电池温度>30℃，此时热泵无工作需求。节温器关闭散热器旁路，蓄电池预热混合阀2V696打开蓄电池接口，蓄电池预热混合阀V683打开蓄电池冷却回路，此时2个冷却液泵均被激活。
6）蓄电池未冷却或未加热时，ID.4CROZZ高压电池热管理系统的散热器内有冷却液流动，如图11b所示。此时节温器温度>15℃，蓄电池温度为8~30℃，此时热泵有工作
需求。节温器关闭散热器旁路，蓄电池预热混合阀2V696打开蓄电池接口，蓄电池预热混合阀V683打开蓄电池加热回路，此时只有低温回路冷却液泵V468被激活。
7 电驱动系统的冷却和加热
ID.4CROZZ的电驱动系统同样是采用液体冷却，与高压电池共用热管理系统，冷却液流入电子驱动器，首先通过电源逆变器（PI）运行，因为半导体规定了允许的最大冷却液温度。流过PI后，冷却剂通过密封管塞元件进入电机外壳的冷却水套。热量主要是由定子铜绕组的电阻损耗产生的，通过绕组绝缘层和叠片到达机壳中的冷却水套。冷却介质通过优化的周向冷却通道进入定子，并在冷却水道的末端通过冷却连接软管进入车辆的外部冷却回路，如图12所示。
