一、引言

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

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，它的研究與開發(fā)是現(xiàn)代電動汽車中關(guān)鍵的一環(huán)，也是提高整車性能的重要方面。首先，如果電動汽車電池組長時間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中，就會降低電池性能。其次，電池箱內(nèi)溫度場的長久不均勻分布將造成各電池模塊、單體性能的不均衡。這些都將會縮短電池使用壽命。通過電池包的建模仿真可以看出風(fēng)冷系統(tǒng)中氣體流動情況，多點溫度測量實時監(jiān)控電池包內(nèi)溫度易于找出損壞電池，及時替換，從而提高整個電池組的壽命。

二、電池最優(yōu)工作溫度范圍的確定

在不同的氣候條件、不同的車輛運行條件下，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)。

目前電動汽車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污染的新型電池在電動汽車和混合電動汽車中應(yīng)用越來越普遍，本文即以豐田RAV-4電動汽車用鎳氫蓄電池為例對電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)進行分析。

鎳氫電池的特性對其熱管理系統(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、儲氫合金負電極以及堿性電解液組成。在充放電過程中，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：電池化學(xué)反應(yīng)生熱、電池極化生熱、過充電副反應(yīng)生熱、內(nèi)阻焦耳熱。

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

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

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

電池放電過程中的生熱量主要來自：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，所以生熱問題不是很嚴重，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，充電過程的后期（不平穩(wěn)段）比放電過程的后期放出的熱量大得多。

圖1是清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室做的某80Ah氫鎳電池不同溫度下電池放電效率實驗。

當溫度超過50℃時，電池充電效率和電池壽命都會大大衰減，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，電池的放電效率顯著降低。從這一點可以推測，鎳氫電池的理想工作溫度應(yīng)該在0～40℃之間。

三、RAV-4電動汽 車中電池組冷卻方式

按照傳熱介質(zhì)分類，熱管理系統(tǒng)中對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電動汽車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)方式時電池組的溫度場分布比較見圖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)勢是每個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特定位置的模塊溫度來表示。

四、RAV-4電動汽車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的氣體流量氣流速度基本能夠說明那里冷卻效果的好壞。

（一）RAV-4電動汽車電池組結(jié)構(gòu)分析

豐田的RAV-4電動汽車電池組采用的是風(fēng)冷方式。它具有特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，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，通過高壓沖壓成型，具有良好的機械強度，排氣系統(tǒng)中的排氣孔均勻地分布于電池箱的底部，設(shè)計上充分考慮到汽車前進時在電池箱底部形成的負壓區(qū)，對箱內(nèi)氣體起引射作用。

電池包中尾端裝有二臺風(fēng)機，可對電池進行強制性吹風(fēng)冷卻，送風(fēng)管道由電池包的上蓋結(jié)構(gòu)形成，風(fēng)機送出的風(fēng)可到達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^程中進行通風(fēng)冷卻作用。

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

下圖是RAV-4電池包內(nèi)電池的通風(fēng)路線的示意圖：

當汽車行駛時，它是采用自然對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。停車充電時，開啟風(fēng)機對電池包進行強迫制冷，屬于強迫空氣對流冷卻法。從整個通風(fēng)線路來看，它屬于并行通風(fēng)。此設(shè)計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兩種方法。

（二）仿真技術(shù)的應(yīng)用

通過建立整個電池包的模型在GAMBIT中用網(wǎng)格把它細分并最終在FLUENT中進行流場的模擬仿真。每一個電池模塊都是由10個單體電池并聯(lián)組成的。電池模塊風(fēng)道系統(tǒng)的模型在Gambit中建立，同時進行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。給定進風(fēng)口壓力為大氣壓力，電池組采用1C倍率進行充放電循環(huán)，進風(fēng)口溫度標定為環(huán)境溫度25℃，出風(fēng)口試驗測得溫度為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的真實情況，計算時采用該模型。

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

（三）對電池組溫度的監(jiān)控

&nb sp; RAV-4的設(shè)計是比較成功的，在汕頭國家電動汽車示范運行管理中心的8臺RAV-4已經(jīng)運行了9年之久，目前電池性能還很不錯，續(xù)行駛里程在100公里以上。本文在整個電池包內(nèi)選擇40個溫度測量點，通過40路溫度測量裝置以每5秒采集一次數(shù)據(jù)對RAV-4電池包的溫度數(shù)據(jù)進行實時采集，并繪制成時間 -溫度曲線，如圖6：

可以看出在車輛行駛過程中、停車充電過程、充電完成后這三種狀態(tài)下，電池包各點的溫度始終都保持在35℃以下。圖6中可以看到各個測量點的溫度變化曲線，找出各點對應(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情況。

在電動汽車實際使用中，個別電池有時會因為客觀或人為原因溫度過高，此時需要能夠提醒駕駛員。本文的40路溫度測量軟件把臨界溫度定在80℃，超過這個臨界溫度曲線會陡然升高，并伴有蜂鳴聲。為了驗證軟件的功能，把其中一路傳感器在某兩個時刻的溫度改為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畫出的某一時刻電池包內(nèi)40個點的溫度分布。冷卻風(fēng)扇在近面一端，從前向后溫度有升高趨勢，中間和兩側(cè)的溫度也比較高。其結(jié)果與仿真所得各點氣流速度相近。

五、總結(jié)

電池溫度對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。在進行冷卻時需選擇更有效的方法對電池組進行冷卻，事實證明采用空冷時，并行通風(fēng)冷卻要比串行冷卻接觸面積大，冷卻效果要好。通過多點的溫度傳感器對電池組進行測量發(fā)現(xiàn)RAV-4電池包能夠保持良好的通風(fēng)冷卻效果，雖然測量點之間溫度存在差異但并不大且都沒有超出40℃。利用FLU-ENT仿真出的氣體流動情況能夠與試驗結(jié)果相吻合。