鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1598次 | 2022年09月26日
動(dòng)力鋰電池包的風(fēng)冷系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意什么？
風(fēng)冷系統(tǒng)，是動(dòng)力電池包領(lǐng)域應(yīng)用最早的一種熱管理技術(shù)。低成本和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，是風(fēng)冷廣為應(yīng)用的主要原因。
通過(guò)風(fēng)扇產(chǎn)生空氣的強(qiáng)迫流動(dòng)，推動(dòng)電池箱體內(nèi)部空氣的有序流動(dòng)，帶走電池工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。近兩年，由于對(duì)電池包密封等級(jí)要求的提高，直接在電池箱體上安裝風(fēng)扇，設(shè)計(jì)純粹的風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)越來(lái)越少。但配合其他傳熱形式，將風(fēng)冷作為冷卻系統(tǒng)向廣闊空間散熱的手段，正在被越來(lái)越多的研究討論。
1風(fēng)冷系統(tǒng)原理
基本概念整理
熱的傳遞方式有三種：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。熱傳遞的基本動(dòng)力是溫差的存在。冷卻系統(tǒng)，利用熱傳遞的基本特性，有目的的將熱量從一個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)出，傳遞到與目標(biāo)不相關(guān)系統(tǒng)中去。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
冷卻系統(tǒng)有很多種，廣義上說(shuō)，凡是能夠?qū)崿F(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移的都算冷卻系統(tǒng)。粗糙的分類，冷卻系統(tǒng)有空氣冷卻系統(tǒng)，液體冷卻系統(tǒng)和相變材料冷卻系統(tǒng)。從原理上分，有的主要依靠流體對(duì)流散熱，有的依靠固體熱傳導(dǎo)散熱，有的依靠介質(zhì)物理形態(tài)的轉(zhuǎn)變吸收和放出熱量。
風(fēng)冷，屬于空氣冷卻的一種。所謂空氣冷卻，就是把空氣當(dāng)做冷卻介質(zhì)，主要依靠對(duì)流傳熱的形式，把目標(biāo)系統(tǒng)的熱量帶走?？諝饫鋮s除了風(fēng)冷，還包括自然冷卻的形式。風(fēng)冷和自然冷卻的區(qū)別只在于空氣流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，有動(dòng)力屬于風(fēng)冷，沒有動(dòng)力屬于自然冷卻。
空氣是一種流體冷卻介質(zhì)，與浸泡其中的物體主要的熱傳遞方式，以對(duì)流為主。
對(duì)流換熱，指流體內(nèi)部或者流體與有表面接觸的固體之間，由相對(duì)位移而產(chǎn)生的熱量交換過(guò)程。對(duì)流換熱過(guò)程，既受到熱傳遞規(guī)律的影響，又受到流體流動(dòng)規(guī)律的制約，是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程。
影響熱對(duì)流的因素比較多：熱量交換雙方的溫差，傳熱面積，流體流動(dòng)速率，流體自身參數(shù)，流體的流動(dòng)形態(tài)（穩(wěn)流還是湍流）等。而流體流經(jīng)空間幾何形狀和表面狀況，流體流速和流體密度，流體粘度和溫度，又會(huì)影響流體流動(dòng)形態(tài)。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
風(fēng)冷系統(tǒng)
風(fēng)冷系統(tǒng)，是利用空氣的受迫流動(dòng)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻的裝置，主要組成部分包括風(fēng)扇、流道、散熱器，還可以包括集熱器、熱管等配合風(fēng)冷設(shè)備共同發(fā)揮作用的裝置。
一般的風(fēng)冷系統(tǒng)，在一個(gè)封閉空間內(nèi)，設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。空間內(nèi)的冷卻對(duì)象的結(jié)構(gòu)布置形式，盡量組合成理想的空氣流道，使得散熱效果均勻一致。如果冷卻對(duì)象有流動(dòng)空氣難于直接抵達(dá)的部位，則配套設(shè)計(jì)風(fēng)冷散熱器，將熱量從冷卻目標(biāo)內(nèi)部傳導(dǎo)至外部，與流動(dòng)空氣充分接觸，保證散熱效率和均勻性。
基于影響對(duì)流散熱因素的認(rèn)識(shí)，散熱器往往會(huì)設(shè)計(jì)出較大的空氣接觸面積，比如翅片就是風(fēng)冷散熱器的常用形式。下圖中的舊式暖氣，就是翅片散熱的一種形式。
2風(fēng)冷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
動(dòng)力電池包選擇使用風(fēng)冷系統(tǒng)作為冷卻手段，需要確定如下事項(xiàng)：
電池包總體發(fā)熱能力；
風(fēng)冷系統(tǒng)散熱能力；
電池包內(nèi)模組的排列方式；
進(jìn)出風(fēng)口位置；
氣流通道規(guī)劃；
風(fēng)扇類型選擇（鼓風(fēng)還是抽風(fēng)）；
選擇散熱器形式（如果有）；
風(fēng)冷系統(tǒng)原理框圖（體現(xiàn)以上內(nèi)容）；
風(fēng)冷控制策略。
3設(shè)計(jì)流程
3.1電池單體和電池組生熱量和生熱速率計(jì)算（略）
昨天的文章《鋰電池液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有哪些需求和計(jì)算》，其中項(xiàng)目需求以及電池生熱計(jì)算部分，不同冷卻方式，這兩部分不會(huì)有太大差異。本文重點(diǎn)記錄風(fēng)冷的設(shè)計(jì)中不同于水冷的部分。
3.2風(fēng)扇選型
根據(jù)3.1的計(jì)算結(jié)果，電池包的生熱功率作為冷卻系統(tǒng)散熱能力的下限，還要保有一定余量。
風(fēng)扇送風(fēng)有兩種類型，鼓風(fēng)風(fēng)扇和抽風(fēng)風(fēng)扇。鼓風(fēng)式風(fēng)扇，風(fēng)壓大，風(fēng)量集中，適用于電池模組布置密度不均勻情形。抽風(fēng)風(fēng)扇，風(fēng)壓小，風(fēng)量分散但均勻，在風(fēng)冷中被使用頻率較高。兩種風(fēng)扇均可匹配管道使用，但電池包冷卻很少采用這類形式。
風(fēng)扇的基本參數(shù)：轉(zhuǎn)速、風(fēng)壓、風(fēng)量、噪音，以及供電功耗和可控檔位數(shù)量。風(fēng)扇電源電壓，需要注意與電池管理系統(tǒng)提供的電源等級(jí)相匹配。
3.3風(fēng)冷散熱器的選型
在風(fēng)冷系統(tǒng)中，有的情形，直接讓氣流在需要散熱的空間內(nèi)流過(guò)，達(dá)到散熱目的；有的情形，在電池組中設(shè)計(jì)散熱器，將電池?zé)崃靠焖賹?dǎo)出，冷卻氣流流過(guò)散熱器表面，提高散熱效率；還有一種形式，風(fēng)扇并不裝配在電池包箱體上，而是由其他冷卻形式的散熱器將熱量引出電池包，傳遞給電池包外部的風(fēng)冷散熱器，再以風(fēng)冷的形式將熱量散發(fā)到空氣中。
在電池箱體統(tǒng)一提出密封等級(jí)要求以后，最后一種利用風(fēng)冷的形式會(huì)越來(lái)越多的被應(yīng)用。
于是有必要討論一下，從電池包內(nèi)引出到風(fēng)冷散熱器的熱量，什么條件必須采用風(fēng)冷？有資料給出了根據(jù)散熱器表面的熱流密度選擇風(fēng)冷還是自然冷卻的數(shù)據(jù)依據(jù)：
對(duì)于通風(fēng)條件好的場(chǎng)合，散熱器表面熱流密度小于0.024W/cm^2，可以選擇自然冷卻；大于這個(gè)值，則必須強(qiáng)迫風(fēng)冷；當(dāng)熱流密度大于0.078W/cm^2時(shí)，則風(fēng)冷不能維持當(dāng)前溫度，必須采取其他更高效的冷卻措施。
以上數(shù)據(jù)，不是在動(dòng)力電池包上得出的數(shù)據(jù)，借鑒以后，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。
風(fēng)冷散熱器選型
按照熱量被引出電池包以外，應(yīng)用風(fēng)冷散熱器這種類型討論選型。
整個(gè)熱的傳遞路徑：電芯生熱，傳遞給熱量收集器，通過(guò)熱管等高效熱傳遞形式傳遞給電池包外部散熱器。根據(jù)整個(gè)熱傳遞過(guò)程中允許的熱阻，選擇散熱器。每一個(gè)熱傳遞界面的熱阻均取最大值，電芯允許的最高溫度保留足夠余量。在滿足前面要求的前提下，計(jì)算最終外部風(fēng)冷散熱器的最大熱阻。然后選擇熱阻值小于計(jì)算值的散熱器即可。
冷可以與哪些冷卻形式配合使用
水冷，水冷需要在電池包內(nèi)部布置水冷散熱器及管路，熱量通過(guò)回水管路被傳遞到電池包以外。高溫冷卻液的降溫，可以采用多種形式，其中一種，就是利用蒸發(fā)器將熱量散發(fā)到空間中。風(fēng)冷裝置，可以提高蒸發(fā)器的工作效率。
熱管，熱管是一種傳熱效率極高的溫控裝置，工作狀態(tài)下，一端作為冷凝段冷卻周邊環(huán)境，另一端作為蒸發(fā)段，將熱量散發(fā)到周邊環(huán)境中去。蒸發(fā)段，可以與風(fēng)冷系統(tǒng)匹配工作。
相變材料，相變材料的一個(gè)特點(diǎn)是，在吸熱過(guò)程中存在一個(gè)恒溫階段，系統(tǒng)內(nèi)配置相變材料，可以為電池最大限度的提供恒溫、均溫的工作環(huán)境。相變材料可以與水冷、風(fēng)冷同時(shí)使用。
