基于RAV-4的電動(dòng)汽車(chē)電池組風(fēng)冷系統(tǒng)的研究

一、引言

電池作為電動(dòng)汽車(chē)中的主要儲(chǔ)能元件，是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，直接影響到電動(dòng)汽車(chē)的性能。

電池組熱管理系統(tǒng)作為電池管理系統(tǒng)中不可或缺的部分，它的研究與開(kāi)發(fā)是現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)中關(guān)鍵的一環(huán)，也是提高整車(chē)性能的重要方面。首先，如果電動(dòng)汽車(chē)電池組長(zhǎng)時(shí)間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中，就會(huì)降低電池性能。其次，電池箱內(nèi)溫度場(chǎng)的長(zhǎng)久不均勻分布將造成各電池模塊、單體性能的不均衡。這些都將會(huì)縮短電池使用壽命。通過(guò)電池包的建模仿真可以看出風(fēng)冷系統(tǒng)中氣體流動(dòng)情況，多點(diǎn)溫度測(cè)量實(shí)時(shí)監(jiān)控電池包內(nèi)溫度易于找出損壞電池，及時(shí)替換，從而提高整個(gè)電池組的壽命。

二、電池最優(yōu)工作溫度范圍的確定

在不同的氣候條件、不同的車(chē)輛運(yùn)行條件下，電池組熱管理系統(tǒng)要確保電池組在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，并且盡量將電池組的工作溫度保持在最優(yōu)的工作溫度范圍之內(nèi)。

目前電動(dòng)汽車(chē)用電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。鎳氫電池作為比能量較高且使用無(wú)污染的新型電池在電動(dòng)汽車(chē)和混合電動(dòng)汽車(chē)中應(yīng)用越來(lái)越普遍，本文即以豐田RAV-4電動(dòng)汽車(chē)用鎳氫蓄電池為例對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池組熱管理系統(tǒng)進(jìn)行分析。

鎳氫電池的特性對(duì)其熱管理系統(tǒng)的影響很大。電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，存在感應(yīng)和共生的非感應(yīng)的過(guò)程。不同的電池反應(yīng)不同，因而有不同的充放電熱特性。鎳氫電池由鎳氫化合物正電極、儲(chǔ)氫合金負(fù)電極以及堿性電解液組成。在充放電過(guò)程中，氫鎳電池電化學(xué)反應(yīng)表示如下：

氫鎳電池的生熱因素主要有4項(xiàng)：電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、過(guò)充電副反應(yīng)生熱、內(nèi)阻焦耳熱。

電池充電過(guò)程中的反應(yīng)生熱可以分為兩個(gè)階段：在沒(méi)有發(fā)生過(guò)充電副反應(yīng)之前為第1階段，發(fā)生過(guò)充電副反應(yīng)之后為第2階段。

第1階段，生熱量主要來(lái)自：電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、內(nèi)阻焦耳熱。生熱量可用下式計(jì)算：

第2階段，生熱量主要來(lái)自：電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、過(guò)充電副反應(yīng)生熱、內(nèi)阻焦耳熱。其中大部分的生熱量來(lái)自于過(guò)充電副反應(yīng)生熱。充電末期和過(guò)充電時(shí)，過(guò)充電副反應(yīng)就開(kāi)始發(fā)生，其生熱量:

電池放電過(guò)程中的生熱量主要來(lái)自：電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、內(nèi)阻焦耳熱。需要指出的是氫鎳電池放電時(shí)化學(xué)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，能吸收一部分熱量，所以生熱問(wèn)題不是很?chē)?yán)重，生熱量如下:

式中Rt——電池內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的和

Ic——電池的充電電流

Id——電池的放電電流

由于陰極反應(yīng)的熱應(yīng)力不同，充電過(guò)程的后期（不平穩(wěn)段）比放電過(guò)程的后期放出的熱量大得多。

圖1是清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做的某80Ah氫鎳電池不同溫度下電池放電效率實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)溫度超過(guò)50℃時(shí)，電池充電效率和電池壽命都會(huì)大大衰減，在低溫狀態(tài)下，電池的放電能力也比正常溫度小得多。圖1所示在溫度高于40℃或者溫度低于0℃時(shí)，電池的放電效率顯著降低。從這一點(diǎn)可以推測(cè)，鎳氫電池的理想工作溫度應(yīng)該在0～40℃之間。

三、RAV-4電動(dòng)汽 車(chē)中電池組冷卻方式

按照傳熱介質(zhì)分類(lèi)，熱管理系統(tǒng)中對(duì)電池的冷卻方式可分為氣冷、液冷及相變材料冷卻3種。RAV-4電動(dòng)汽車(chē)中電池的冷卻是氣冷。

目前空冷散熱通風(fēng)方式一般有串行和并行兩種，如圖2所示：

某一工況下，選擇不同通風(fēng)方式時(shí)電池組的溫度場(chǎng)分布比較見(jiàn)圖3。其中，圖3a表明從外側(cè)到中央溫度從35～140℃遞增；圖3b表明從左側(cè)到右側(cè)溫度從40～60℃遞增；圖3c表明溫度均為45℃左右。

由圖3可知，采用并行通風(fēng)方式是最有效的。這種方法的最大優(yōu)勢(shì)是每個(gè)模塊都可以吹到等量的冷空氣，保證了模塊間溫度的一致性。這樣，電池組的溫度就可以用幾個(gè)特定位置的模塊溫度來(lái)表示。

四、RAV-4電動(dòng)汽車(chē)電池組冷卻方式的研究

由于本文中氣流速度比較低，所以電池包中不同點(diǎn)的氣體流量氣流速度基本能夠說(shuō)明那里冷卻效果的好壞。

（一）RAV-4電動(dòng)汽車(chē)電池組結(jié)構(gòu)分析

豐田的RAV-4電動(dòng)汽車(chē)電池組采用的是風(fēng)冷方式。它具有特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電池包中放置24塊鎳氫電池模塊，電池包由底座和上蓋組成，整體材料主要是纖維復(fù)合材料，厚度3mm，通過(guò)高壓沖壓成型，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，排氣系統(tǒng)中的排氣孔均勻地分布于電池箱的底部，設(shè)計(jì)上充分考慮到汽車(chē)前進(jìn)時(shí)在電池箱底部形成的負(fù)壓區(qū)，對(duì)箱內(nèi)氣體起引射作用。

電池包中尾端裝有二臺(tái)風(fēng)機(jī)，可對(duì)電池進(jìn)行強(qiáng)制性吹風(fēng)冷卻，送風(fēng)管道由電池包的上蓋結(jié)構(gòu)形成，風(fēng)機(jī)送出的風(fēng)可到達(dá)24塊電池模塊的上端。

電池模塊的特殊結(jié)構(gòu)：電池模塊是由10只單體鎳氫電池組成，在單體電池的側(cè)面，留有通風(fēng)冷卻通道，每面有7條。由10只單體電池組成的電池模塊就有9條通風(fēng)通道，這些通道能夠?qū)﹄姵毓ぷ鬟^(guò)程中進(jìn)行通風(fēng)冷卻作用。

電池包底座安裝24塊電池模塊，在每塊電池下面開(kāi)有2個(gè)通風(fēng)孔，直徑為30mm，總共有48個(gè)通風(fēng)孔。通風(fēng)孔入口處設(shè)置有通風(fēng)導(dǎo)流板，導(dǎo)流板讓氣流流動(dòng)朝著一個(gè)方向。

下圖是RAV-4電池包內(nèi)電池的通風(fēng)路線的示意圖：

當(dāng)汽車(chē)行駛時(shí)，它是采用自然對(duì)流冷卻法將外界空氣吸入從電池包底部小孔排出，而不使用風(fēng)機(jī)。停車(chē)充電時(shí)，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)對(duì)電池包進(jìn)行強(qiáng)迫制冷，屬于強(qiáng)迫空氣對(duì)流冷卻法。從整個(gè)通風(fēng)線路來(lái)看，它屬于并行通風(fēng)。此設(shè)計(jì)保證了最大限度的冷卻面積，使冷卻效果保持最佳。

為了研究它的冷卻性能，可以分別利用仿真和試驗(yàn)兩種方法。

（二）仿真技術(shù)的應(yīng)用

通過(guò)建立整個(gè)電池包的模型在GAMBIT中用網(wǎng)格把它細(xì)分并最終在FLUENT中進(jìn)行流場(chǎng)的模擬仿真。每一個(gè)電池模塊都是由10個(gè)單體電池并聯(lián)組成的。電池模塊風(fēng)道系統(tǒng)的模型在Gambit中建立，同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。給定進(jìn)風(fēng)口壓力為大氣壓力，電池組采用1C倍率進(jìn)行充放電循環(huán)，進(jìn)風(fēng)口溫度標(biāo)定為環(huán)境溫度25℃，出風(fēng)口試驗(yàn)測(cè)得溫度為32℃，速度5m/s。電池模塊的產(chǎn)熱功率為489.1W，由于κ-ε湍流模型能提供流動(dòng)的真實(shí)情況，計(jì)算時(shí)采用該模型。

仿真結(jié)果中風(fēng)扇出口附近及正對(duì)風(fēng)扇的一片區(qū)域流速較快，而遠(yuǎn)離風(fēng)扇的地方和電池包中間以及兩側(cè)氣體流速較小。

（三）對(duì)電池組溫度的監(jiān)控

&nb sp; RAV-4的設(shè)計(jì)是比較成功的，在汕頭國(guó)家電動(dòng)汽車(chē)示范運(yùn)行管理中心的8臺(tái)RAV-4已經(jīng)運(yùn)行了9年之久，目前電池性能還很不錯(cuò)，續(xù)行駛里程在100公里以上。本文在整個(gè)電池包內(nèi)選擇40個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)40路溫度測(cè)量裝置以每5秒采集一次數(shù)據(jù)對(duì)RAV-4電池包的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并繪制成時(shí)間 -溫度曲線，如圖6：

可以看出在車(chē)輛行駛過(guò)程中、停車(chē)充電過(guò)程、充電完成后這三種狀態(tài)下，電池包各點(diǎn)的溫度始終都保持在35℃以下。圖6中可以看到各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度變化曲線，找出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電池包中的空間位置，在FLUENT中我們可以看到它們的氣體流動(dòng)情況。

在電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際使用中，個(gè)別電池有時(shí)會(huì)因?yàn)榭陀^或人為原因溫度過(guò)高，此時(shí)需要能夠提醒駕駛員。本文的40路溫度測(cè)量軟件把臨界溫度定在80℃，超過(guò)這個(gè)臨界溫度曲線會(huì)陡然升高，并伴有蜂鳴聲。為了驗(yàn)證軟件的功能，把其中一路傳感器在某兩個(gè)時(shí)刻的溫度改為120℃和81℃（均大于80℃），可明顯看到一條 90度的折線，如圖7：

圖8為用MATLAB畫(huà)出的某一時(shí)刻電池包內(nèi)40個(gè)點(diǎn)的溫度分布。冷卻風(fēng)扇在近面一端，從前向后溫度有升高趨勢(shì)，中間和兩側(cè)的溫度也比較高。其結(jié)果與仿真所得各點(diǎn)氣流速度相近。

五、總結(jié)

電池溫度對(duì)電池的性能和壽命都有很大的影響，要綜合考慮以確定電池的最優(yōu)工作溫度范圍。在進(jìn)行冷卻時(shí)需選擇更有效的方法對(duì)電池組進(jìn)行冷卻，事實(shí)證明采用空冷時(shí)，并行通風(fēng)冷卻要比串行冷卻接觸面積大，冷卻效果要好。通過(guò)多點(diǎn)的溫度傳感器對(duì)電池組進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)RAV-4電池包能夠保持良好的通風(fēng)冷卻效果，雖然測(cè)量點(diǎn)之間溫度存在差異但并不大且都沒(méi)有超出40℃。利用FLU-ENT仿真出的氣體流動(dòng)情況能夠與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。