第４期
戴海峰，等：插电式燃料电池车锂电池热管理系统设计
泡沫，其导热系 数 为λ
２
＝０．
０２３ Ｗ · （
ｍ·Ｋ）
－１
；
设
计厚度为δ
２
＝２５ｍｍ；电池包 外 壳 设 计 内 层 用 钢 板，
导热系数为λ
１
＝４９．
８ Ｗ· （
ｍ·Ｋ）
－１
；
设 计 厚 度 为
δ
１
＝０．
８ ｍｍ；因 此，电 池 包 外 壳 导 热 系 数 为
ｋ＝１／
（
δ
１
／
λ
１
＋δ
２
／
λ
２
）＝０．
９２ Ｗ · （ｍ
２
·Ｋ）
－１
，
因 此 得 出
Δ
ｔ＝８．
６９ ℃．若电池包尺寸取为４０ｃｍ×３０ｃｍ×２０
ｃｍ，则外界向电池包内部的渗入热约为
Ｑ
１
＝
ｋＡｔ
ｔ
≈
９ Ｗ，其中
Ａ 为换热面积．
１．
２ 设计目标
本研究中设计的热管理系统需要同时保证两项
温度 控 制 指 标：① 根 据 磷 酸 电 池 自 身 的 高 温 特 性，
在测 试 工 况 和 实 车 运 行 中，保 证 电 池 表 面 的 最 高 温
升不超过６ ℃；② 保 持 电 池 温 度 的 均 匀 性，即 保 证
电池单体之间的温差不超过３．
５ ℃．对 于 目 标 ②，这
里需要说明一下．图２所示为７节电池单体在 ４０Ａ
放电过程中的温度变化情况（电池放置在环境舱中，
环境舱设定温度为２４ ℃）．可见，不同电池单体自身
发热量相差并不大，因此，一般只要保证电池单体与
空气的换热均匀一致即可满足．并且由于热容较大，
电池 温 升 较 慢，这 一 定 程 度 上 降 低 了 热 管 理 系 统 的
负荷
［
８－１１］
．
图２ 自然对流下单体电池间的温度差异
Ｆｉ
ｇ．
２ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｄ
ｉ
ｆ
ｆ
ｅ
ｒ
ｅｎｃ
ｅ
ｓ
ａｍｏｎｇ
ｃ
ｅ
ｌ
ｌ
ｓ
ｕｎｄｅ
ｒ
ｔ
ｈｅ
ｎａ
ｔ
ｕｒａ
ｌ
ｃｏｎｖｅ
ｃ
ｔ
ｉ
ｏｎ
ｃｏｎｄ
ｉ
ｔ
ｉ
ｏｎ
２ 系统方案
２．
１ 冷却介质选择
从前述的发 热 量 计 算 中 可 以 看 出，插 电 式 燃 料
电池车的电池发热量不大，加之 ４０Ａ·ｈ 电池自身
热容较大，因 此，热 负 荷 相 对 较 小，本 研 究 中 采 用 空
气作为冷却介质，即采用风冷方案．目前采用空气对
电池进行冷却的热管理系统又分为自然对流冷却法
和强 迫 空 气 对 流 冷 却 法．本研究采用强迫空气对流
冷却法．对于上述热管理系统温度控制目标①，通过
加大 电 池 和 气 流 之 间 的 对 流 换 热 系 数 来 达 到，对 于
控制目标②是通过流场设计保证单体电池与空气的
换热量均匀．
２．
２ 结构设计
结合整车布 置 方 案，在 前 期 工 作 和 初 步 仿 真 计
算的基础上，图３和图４为本文设计的结构方案，图
３是风道模型，图４ 是 整 个 电 池 包 的 ３ 维 数 模．从 图
３中可 以 看 出，冷 却 风 扇 安 装 在 出 风 口 处，通 过 吸
风，将冷却空气吸入电池包内部．冷却空气首先进入
一个 渐 变 的 内 部 风 道 １（位 于 电 池 包 内 部，渐 变 角
４
°），然后经由单体电池格栅（图１ｂ）流 经 每 个 单 体 电
池表面，从而将电池产生的热量带走，以达到冷却电
池的效果．空气流经电池表面之后，通过渐变的内部
风道２（位于电池包内部，渐变角４°），从出风口排出．
利用这种方案设计达到上述两个控制目标．
３ 仿真评估
３．
１ 建模与仿真环境
利用 Ｃａｔ
ｉ
ａ 软件建立电池包的数模，
Ａｎ
ｓ
ｙ
ｓ
Ｉ
ｃ
ｅｍ
ＣＦＤ 软件对数模进行前处理，画３维计算网格．然 后
导入 Ｆｌｕｅｎｔ软件中，选择求解器，边界条件．进行模
拟计 算，得 到 其 温 度 场、速 度 场 和 压 力 场 的 相 关 数
１
９
５