基于RAV-4的电动汽车电池组风冷系统的研究

一、引言

电池作为电动汽车中的主要储能元件，是电动汽车的关键部件，直接影响到电动汽车的性能。

电池组热管理系统作为电池管理系统中不可或缺的部分，它的研究与开发是现代电动汽车中关键的一环，也是提高整车性能的重要方面。首先，如果电动汽车电池组长时间工作在比较恶劣的热环境中，就会降低电池性能。其次，电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体性能的不均衡。这些都将会缩短电池使用寿命。通过电池包的建模仿真可以看出风冷系统中气体流动情况，多点温度测量实时监控电池包内温度易于找出损坏电池，及时替换，从而提高整个电池组的寿命。

二、电池最优工作温度范围的确定

在不同的气候条件、不同的车辆运行条件下，电池组热管理系统要确保电池组在安全的温度范围内运行，并且尽量将电池组的工作温度保持在最优的工作温度范围之内。

目前电动汽车用电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。镍氢电池作为比能量较高且使用无污染的新型电池在电动汽车和混合电动汽车中应用越来越普遍，本文即以丰田RAV-4电动汽车用镍氢蓄电池为例对电动汽车电池组热管理系统进行分析。

镍氢电池的特性对其热管理系统的影响很大。电池内部的电化学反应很复杂，存在感应和共生的非感应的过程。不同的电池反应不同，因而有不同的充放电热特性。镍氢电池由镍氢化合物正电极、储氢合金负电极以及碱性电解液组成。在充放电过程中，氢镍电池电化学反应表示如下：

氢镍电池的生热因素主要有4项：电池化学反应生热、电池极化生热、过充电副反应生热、内阻焦耳热。

电池充电过程中的反应生热可以分为两个阶段：在没有发生过充电副反应之前为第1阶段，发生过充电副反应之后为第2阶段。

第1阶段，生热量主要来自：电池化学反应生热、电池极化生热、内阻焦耳热。生热量可用下式计算：

第2阶段，生热量主要来自：电池化学反应生热、电池极化生热、过充电副反应生热、内阻焦耳热。其中大部分的生热量来自于过充电副反应生热。充电末期和过充电时，过充电副反应就开始发生，其生热量:

电池放电过程中的生热量主要来自：电池化学反应生热、电池极化生热、内阻焦耳热。需要指出的是氢镍电池放电时化学反应是吸热反应，能吸收一部分热量，所以生热问题不是很严重，生热量如下:

式中Rt——电池内阻和极化内阻的和

Ic——电池的充电电流

Id——电池的放电电流

由于阴极反应的热应力不同，充电过程的后期（不平稳段）比放电过程的后期放出的热量大得多。

图1是清华大学汽车安全与节能国家重点实验室做的某80Ah氢镍电池不同温度下电池放电效率实验。

当温度超过50℃时，电池充电效率和电池寿命都会大大衰减，在低温状态下，电池的放电能力也比正常温度小得多。图1所示在温度高于40℃或者温度低于0℃时，电池的放电效率显著降低。从这一点可以推测，镍氢电池的理想工作温度应该在0～40℃之间。

三、RAV-4电动汽 车中电池组冷却方式

按照传热介质分类，热管理系统中对电池的冷却方式可分为气冷、液冷及相变材料冷却3种。RAV-4电动汽车中电池的冷却是气冷。

目前空冷散热通风方式一般有串行和并行两种，如图2所示：

某一工况下，选择不同通风方式时电池组的温度场分布比较见图3。其中，图3a表明从外侧到中央温度从35～140℃递增；图3b表明从左侧到右侧温度从40～60℃递增；图3c表明温度均为45℃左右。

由图3可知，采用并行通风方式是最有效的。这种方法的最大优势是每个模块都可以吹到等量的冷空气，保证了模块间温度的一致性。这样，电池组的温度就可以用几个特定位置的模块温度来表示。

四、RAV-4电动汽车电池组冷却方式的研究

由于本文中气流速度比较低，所以电池包中不同点的气体流量气流速度基本能够说明那里冷却效果的好坏。

（一）RAV-4电动汽车电池组结构分析

丰田的RAV-4电动汽车电池组采用的是风冷方式。它具有特殊的结构设计，电池包中放置24块镍氢电池模块，电池包由底座和上盖组成，整体材料主要是纤维复合材料，厚度3mm，通过高压冲压成型，具有良好的机械强度，排气系统中的排气孔均匀地分布于电池箱的底部，设计上充分考虑到汽车前进时在电池箱底部形成的负压区，对箱内气体起引射作用。

电池包中尾端装有二台风机，可对电池进行强制性吹风冷却，送风管道由电池包的上盖结构形成，风机送出的风可到达24块电池模块的上端。

电池模块的特殊结构：电池模块是由10只单体镍氢电池组成，在单体电池的侧面，留有通风冷却通道，每面有7条。由10只单体电池组成的电池模块就有9条通风通道，这些通道能够对电池工作过程中进行通风冷却作用。

电池包底座安装24块电池模块，在每块电池下面开有2个通风孔，直径为30mm，总共有48个通风孔。通风孔入口处设置有通风导流板，导流板让气流流动朝着一个方向。

下图是RAV-4电池包内电池的通风路线的示意图：

当汽车行驶时，它是采用自然对流冷却法将外界空气吸入从电池包底部小孔排出，而不使用风机。停车充电时，开启风机对电池包进行强迫制冷，属于强迫空气对流冷却法。从整个通风线路来看，它属于并行通风。此设计保证了最大限度的冷却面积，使冷却效果保持最佳。

为了研究它的冷却性能，可以分别利用仿真和试验两种方法。

（二）仿真技术的应用

通过建立整个电池包的模型在GAMBIT中用网格把它细分并最终在FLUENT中进行流场的模拟仿真。每一个电池模块都是由10个单体电池并联组成的。电池模块风道系统的模型在Gambit中建立，同时进行网格划分，如图5所示。给定进风口压力为大气压力，电池组采用1C倍率进行充放电循环，进风口温度标定为环境温度25℃，出风口试验测得温度为32℃，速度5m/s。电池模块的产热功率为489.1W，由于κ-ε湍流模型能提供流动的真实情况，计算时采用该模型。

仿真结果中风扇出口附近及正对风扇的一片区域流速较快，而远离风扇的地方和电池包中间以及两侧气体流速较小。

（三）对电池组温度的监控

&nb sp; RAV-4的设计是比较成功的，在汕头国家电动汽车示范运行管理中心的8台RAV-4已经运行了9年之久，目前电池性能还很不错，续行驶里程在100公里以上。本文在整个电池包内选择40个温度测量点，通过40路温度测量装置以每5秒采集一次数据对RAV-4电池包的温度数据进行实时采集，并绘制成时间 -温度曲线，如图6：

可以看出在车辆行驶过程中、停车充电过程、充电完成后这三种状态下，电池包各点的温度始终都保持在35℃以下。图6中可以看到各个测量点的温度变化曲线，找出各点对应的电池包中的空间位置，在FLUENT中我们可以看到它们的气体流动情况。

在电动汽车实际使用中，个别电池有时会因为客观或人为原因温度过高，此时需要能够提醒驾驶员。本文的40路温度测量软件把临界温度定在80℃，超过这个临界温度曲线会陡然升高，并伴有蜂鸣声。为了验证软件的功能，把其中一路传感器在某两个时刻的温度改为120℃和81℃（均大于80℃），可明显看到一条 90度的折线，如图7：

图8为用MATLAB画出的某一时刻电池包内40个点的温度分布。冷却风扇在近面一端，从前向后温度有升高趋势，中间和两侧的温度也比较高。其结果与仿真所得各点气流速度相近。

五、总结

电池温度对电池的性能和寿命都有很大的影响，要综合考虑以确定电池的最优工作温度范围。在进行冷却时需选择更有效的方法对电池组进行冷却，事实证明采用空冷时，并行通风冷却要比串行冷却接触面积大，冷却效果要好。通过多点的温度传感器对电池组进行测量发现RAV-4电池包能够保持良好的通风冷却效果，虽然测量点之间温度存在差异但并不大且都没有超出40℃。利用FLU-ENT仿真出的气体流动情况能够与试验结果相吻合。