同济大学学报（自然科学版）

第４０卷　

温度相对较高，因此，本文研究也集中在对电池散热
的方案．电池热管理系统按照采用的传热介质可以
分为：采用空气为介质的热管理系统，采用液体介质
的热管理系统和采用相变材料ＰＣＭ（

ｐｈａ

ｓ

ｅ

ｃ

ｈａｎｇｅ

ｍａ

ｔ

ｅ

ｒ

ｉ

ａ

ｌ）的热管理系统

［

１－３］

．

空气冷却一般指通过风扇从外界环境中吸入

（

吹入）空气，空气流过电池表面带走热量，达到散热

的目的．这种方案使用方便，安装容易，维护成本低，
但散热能力相对较弱．一般采用液体作为介质的冷
却系统比较适用于发热量很多的电池组，且系统结
构比较紧凑，对于电池系统的整体降温以及实现单
体电池间的温度均匀性都有利；但其整体结构复杂，
维护和保养的费用较高，难度较大．相变材料具有在
一定的温度范围内改变物理状态的能力，在这个物
相改变过程中，相变材料能够吸收或者释放大量的
潜热．相变储能材料在电池热管理系统中具有降低
整个电池系统体积，减小运动部件，不需要模块间的
冷却通道，不需要耗费电池额外能量等优势；但是现
有较合适的相变材料还存在导热性差，储热速率低
等缺点，进而降低整体功能．在以后随着ＰＣＭ新材
料的发现或是新技术的发展，相变材料在电池组热
管理方面将得到很好的应用

［

４］

．

本文从分析电池的热特性入手，设计并评估了

世博插电式燃料电池混合动力车所使用的电池包热
管理系统，所使用的单体电池为某公司产的４０Ａ·ｈ

Ｌ

ｉ

ＦｅＰＯ

４

电池．

１　设计需求和目标

本研究中的电池单体及模块数模如图１所示，

基本性能参数如表１．电池模块由１０节电池单体串
联而成，电池单体之间有塑料隔板（图１ｂ），电池包由

２个电池模块串联组成，整车由２个电池包串联

而成．

表１　电池基本参数

Ｔａｂ．

１　Ｐｒ

ｉｍａ

ｒｙ　

ｐａ

ｒａｍｅ

ｔ

ｅ

ｒ

ｓ　

ｏ

ｆ

ｔ

ｈｅ　

ｂａ

ｔ

ｅ

ｒｙ　

ｃ

ｅ

ｌ

基本参数

数值

尺寸／（ｍｍ×ｍｍ×ｍｍ）

３２×１００×１９５

额定电压／Ｖ　

３．

２

额定容量／（Ａ·ｈ）

４０

内阻／ｍΩ

≤２

工作温度／℃

充电　０～４５

放电　－２０～４５

贮藏温度／℃

－１０～３５

图１　电池单体与模块数模

Ｆｉ

ｇ．

１　３－Ｄ　

ｄａ

ｔ

ａ　

ｏ

ｆ

ｂａ

ｔ

ｅ

ｒ

ｙ　

ｃ

ｅ

ｌ

ａｎｄ　

ｍｏｄｕ

ｌ

ｅ

１．

１　热负荷计算

电池单体的发热量计算可按下式计算

［

５－６］

：

Ｑ＝Ｉ

２　

Ｒ－ＩＴ（

ｄ

Ｅ／ｄＴ）

（

１）

式中：

Ｑ为电池的发热量；

Ｉ为电池工作电流；

Ｒ为电

池内阻；

Ｔ为环境温度；

Ｅ为电池的电动势．

根据车的实际使用情况，在分析中，设定电池的

工作条件为Ｉ＝４０Ａ，Ｔ＝２９８．

１５Ｋ（即为２５ ℃），

ｄ

Ｅ／ｄＴ由电池特性决定，此处ｄＥ／ｄＴ＝－０．

０００　

５．

由式（

１）及上述条件，计算电池单体的发热量为

４．

４７８Ｗ，电池包内共有２０节单体电池，因此，初步

估算电池包的发热量为８９．

５６Ｗ．电池总的发热面

积计算结果为０．

５８８ｍ

２

，

所以电池发热面的平均发

热量约为２００Ｗ·ｍ

－２

．

另外，考虑到夏季地面温度较高，由此带来的地

面辐射强度也很强烈，就会造成电池包渗入热有所
增加．本文中把地表辐射能转化为相当的温度形式
和电池包外部的大气温度叠加在一起，形成一个综
合温度值ｔ

ｔ

，

其中地表辐射能造成的温升为 Δｔ，则有

ｔ＝ε

Ｉ／（

α＋ｋ）

式中：

ε为地面表面灰度，这里取ε＝０．

８；

Ｉ为辐射强

度，取值Ｉ＝５００Ｗ·ｍ

２［

７］

；

α 为包外空气与电池包

外表面的传热系数，由于车速变化范围较大，电池包
外表面结构复杂，表面的对流传热系数难以精确计
算，因此采用近似经验公式计算，

α＝１．

１６３（

４＋

１２

槡

ｖ）；车速ｖ＝３０ｋｍ·ｈ

－１

，

因此得出α＝４５．

１Ｗ

·（

ｍ

２

·Ｋ）

－１

；

ｋ为电池包外壳导热系数，考虑到需

要减少渗入热量，电池包的外壳设计外层用聚氨酯

０

９

５