純電動(dòng)汽車基于強(qiáng)制對(duì)流的外掠被動(dòng)風(fēng)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例1.1純電動(dòng)汽車主動(dòng)水冷式與風(fēng)冷優(yōu)缺點(diǎn)分析電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車不同，傳統(tǒng)汽車發(fā)熱源主要來自發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器；電動(dòng)汽車的發(fā)熱源來自于動(dòng)力電池與驅(qū)動(dòng)電機(jī)。目前大多數(shù)汽車中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的冷卻方式都是水冷卻，而動(dòng)力電池的冷卻方式分別為水冷和風(fēng)冷兩種形式。動(dòng)力電池水冷方式是利用水為介質(zhì)將電池工作時(shí)產(chǎn)出的熱量帶到水箱，經(jīng)過風(fēng)扇進(jìn)行散熱；水泵將冷卻的水泵到電池內(nèi)部對(duì)電池進(jìn)行冷卻。當(dāng)水冷系統(tǒng)無法滿足電池高功率輸出時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)將會(huì)介入工作。冷卻水管經(jīng)過空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，空調(diào)將制冷系統(tǒng)對(duì)水道進(jìn)行冷卻，從而加快水的冷卻時(shí)間。其優(yōu)點(diǎn)為水道經(jīng)過電池內(nèi)部能提高電池的冷卻效率；空調(diào)介入工作使冷卻水快速冷卻，對(duì)電池能及時(shí)降溫。缺點(diǎn)為冷卻水的循環(huán)會(huì)消耗電量，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)輔助冷卻時(shí)更是加大了電池的消耗。風(fēng)冷系統(tǒng)一般用于低功率電池輸出的車輛，電池位于車輛的底盤。風(fēng)冷利用汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)能將電池工作時(shí)產(chǎn)生的熱量帶走，形成熱交換。其優(yōu)點(diǎn)為減少電池的消耗，增加續(xù)航歷程；缺點(diǎn)為風(fēng)只能帶走電池外部熱能，中間電池產(chǎn)生的熱量無法帶走，不能及時(shí)冷卻電池，縮短電池使用壽命。水冷水圖1.2動(dòng)力電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)與車身結(jié)構(gòu)分析電池主要由正負(fù)極、隔膜、電解液、殼體組成。電池正極材料為磷酸鐵鋰，負(fù)極材料通常為石墨，充放電時(shí)鋰離子在正負(fù)極材料內(nèi)分別發(fā)生嵌入或脫出【17】。集流體是電池正負(fù)極材料所依附的骨架，集流體還承擔(dān)輸運(yùn)正負(fù)極電子的作用，正極集流體采用鋁箔制成，負(fù)極集流體采用銅箔制成。將正極材料涂布在帶狀的鋁箔上制成正極片，相應(yīng)的將負(fù)極材料涂布于帶狀的銅箔上制成負(fù)極片。隔膜位于正負(fù)極之間，用于隔絕正負(fù)極板。正極片、負(fù)極片和隔膜均為大小相近的帶狀材料，并按照正極片、隔膜、負(fù)極片依次擺放的順序形成電池組。電解液填充在電池內(nèi)部，正負(fù)極板與隔膜都侵泡在電解液中。電解液的作用是在充放電過程中在正負(fù)極之間輸運(yùn)電荷。汽車主要由動(dòng)力系統(tǒng)、底盤、車身和電氣系統(tǒng)組成。電動(dòng)汽車的底盤主要是支撐車身、電池和動(dòng)力系統(tǒng)。汽車的車身分別為前車身：保險(xiǎn)杠、翼子板、前圍板、前縱梁組成。中間車身：立柱、車頂、車門組成。后車身：行李箱、后側(cè)板、后保險(xiǎn)杠組成。個(gè)別車型前保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)倒流孔，目的是為了減少風(fēng)阻和冷卻底盤。1.3電池?zé)崃坑?jì)算電池在充放電的過程中，實(shí)現(xiàn)能量的存放與釋放，在此過程中也產(chǎn)生了能量的損失，這些能量的損失轉(zhuǎn)化為熱能，電池的溫度隨著能量的損失逐漸升高。電池產(chǎn)生的主要損失有四種：反應(yīng)熱Qr、極化熱Qp、焦耳熱Qj、副熱反應(yīng)Qs。電池產(chǎn)生的總熱量表示為【18】：式中：Qr——電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，W；Qp——電池發(fā)生極化反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量，W；Qj——電池內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量，W；Qs——電池內(nèi)部發(fā)生副反應(yīng)、自放電等現(xiàn)象產(chǎn)生的熱量，W。熱反應(yīng)可以用一下公式計(jì)算【19】：式中：Q——電池內(nèi)部發(fā)生可逆電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量，W；F——法拉第常數(shù)；I——充、放電過程中電流大小，A；n——電池?cái)?shù)量；m——電極質(zhì)量，g；M——摩爾質(zhì)量，g／mol。極化熱可以用以下公式計(jì)算【20】：式中：I——電池充、放電時(shí)電流大小，A；Rp——電池極化內(nèi)阻，Q；R0——?dú)W姆極化內(nèi)阻，Q；Rn——濃度極差內(nèi)阻，Q；Rd——電化學(xué)極化內(nèi)阻，Q。焦耳熱可以用以下公式計(jì)算【21】：當(dāng)電池出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象時(shí)，電池會(huì)發(fā)生副反應(yīng)現(xiàn)象。電池的電極材料會(huì)因?yàn)樽苑烹姲l(fā)生分解，電解液也會(huì)在溫度的升高發(fā)生分解現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的熱量稱為副反應(yīng)熱。在電動(dòng)車管理系統(tǒng)中有自斷電與電量過低保護(hù)，很少發(fā)生電池過熱和過放的工況，在計(jì)算電池總熱量時(shí)可以忽略不計(jì)。綜合以上的算式分析整合，電池的總熱量可為【22】：式中：R——電池總電阻，該電阻可認(rèn)為是歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻之和。本文選用的電池由448塊單體電池組成，純電動(dòng)汽車峰值工況下單體電池約為48A，內(nèi)阻約為3，帶入公式（1.5）計(jì)算，電池總發(fā)熱量約為3100W.1.4基于強(qiáng)制對(duì)流的純電動(dòng)汽車的外掠被動(dòng)風(fēng)冷卻系統(tǒng)的流到設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)用風(fēng)冷作為電池冷卻方式?；谲嚿斫Y(jié)構(gòu)與電池位置的特性，將設(shè)計(jì)以下方案。對(duì)于強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，風(fēng)道的設(shè)計(jì)不僅可以提高撒熱的均勻性還可以降低風(fēng)阻使得車輛在行駛過程中提高速度，減少電池的消耗。從散熱界面來看強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)的風(fēng)道可以分為單體電池組間隙風(fēng)冷和電池殼體外部風(fēng)冷。圖5-1電池內(nèi)部冷卻風(fēng)道示意圖所示的時(shí)單體電池組間隙風(fēng)冷。目前大部分電池組都是依次順序排列，每一列電池組都有間隙，將冷風(fēng)風(fēng)道設(shè)計(jì)在每組電池組的縫隙中，加快電池冷卻效率。經(jīng)以上數(shù)據(jù)計(jì)算電池總熱量為3100W，電池的熱能傳遞到冷風(fēng)道上，冷風(fēng)以一定的速率流過單體電池組間隙的風(fēng)道，將傳遞的熱能帶走，從而進(jìn)行熱交換。圖5-1電池內(nèi)部冷卻風(fēng)道示意圖圖5-2車前風(fēng)道進(jìn)氣口分布圖與圖1.-3車尾風(fēng)道示意圖為電池風(fēng)冷分布示意圖。冷風(fēng)由前格柵冷風(fēng)導(dǎo)流孔進(jìn)入，往兩邊冷風(fēng)道散開經(jīng)過電池殼體外部，將單體電池組傳導(dǎo)到殼體的熱能走。由后部的排期風(fēng)扇將帶有熱能的氣流通過車身排氣孔排除車外。在寒冷天氣中啟動(dòng)車輛，此時(shí)電池處于低溫狀態(tài)，為保證電池組更穩(wěn)定的輸出電能。在單體電池組間隙風(fēng)冷道和電池殼體外部風(fēng)冷道設(shè)置風(fēng)冷導(dǎo)流閥，電池處于低溫狀態(tài)閥門自動(dòng)關(guān)閉，讓工作中的電池迅速升溫，當(dāng)達(dá)到正常工作溫度后打開一個(gè)閥門冷卻電池。當(dāng)車輛需要電池輸送大量電能時(shí)，電池組隨著電能的輸出溫度隨之升高，此時(shí)閥門全開以保證電池組持續(xù)處于正常溫度狀態(tài)。圖5-2車前風(fēng)道進(jìn)氣口分布圖圖5-3車尾風(fēng)道示意圖1.6結(jié)論本文對(duì)傳統(tǒng)汽車和電動(dòng)汽車各自的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分解剖析，觀察到兩者不同的差異以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。再對(duì)電動(dòng)汽車兩種冷卻方式的比較，觀察兩者的優(yōu)缺點(diǎn)后。對(duì)電池的冷卻路徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改良。優(yōu)化設(shè)計(jì)的路線由前車身的冷風(fēng)導(dǎo)流孔將冷風(fēng)引入電池殼體外部，再由車身底部冷風(fēng)進(jìn)氣口導(dǎo)入冷風(fēng)