动力电池包的风冷系统在设计中应该注意什么？

风冷系统，是动力电池包领域应用最早的一种热管理技术。低成本和环境适应性强，是风冷广为应用的主要原因。

通过风扇产生空气的强迫流动，推动电池箱体内部空气的有序流动，带走电池工作过程中产生的热量。近两年，由于对电池包密封等级要求的提高，直接在电池箱体上安装风扇，设计纯粹的风冷冷却系统越来越少。但配合其他传热形式，将风冷作为冷却系统向广阔空间散热的手段，正在被越来越多的研究讨论。

1风冷系统原理

基本概念整理

热的传递方式有三种：热传导、对流和热辐射。热传递的基本动力是温差的存在。冷却系统，利用热传递的基本特性，有目的的将热量从一个系统导出，传递到与目标不相关系统中去。

冷却系统有很多种，广义上说，凡是能够实现热量转移的都算冷却系统。粗糙的分类，冷却系统有空气冷却系统，液体冷却系统和相变材料冷却系统。从原理上分，有的主要依靠流体对流散热，有的依靠固体热传导散热，有的依靠介质物理形态的转变吸收和放出热量。

风冷，属于空气冷却的一种。所谓空气冷却，就是把空气当做冷却介质，主要依靠对流传热的形式，把目标系统的热量带走。空气冷却除了风冷，还包括自然冷却的形式。风冷和自然冷却的区别只在于空气流动的动力来源，有动力属于风冷，没有动力属于自然冷却。

空气是一种流体冷却介质，与浸泡其中的物体主要的热传递方式，以对流为主。

对流换热，指流体内部或者流体与有表面接触的固体之间，由相对位移而产生的热量交换过程。对流换热过程，既受到热传递规律的影响，又受到流体流动规律的制约，是一个复杂的物理过程。

影响热对流的因素比较多：热量交换双方的温差，传热面积，流体流动速率，流体自身参数，流体的流动形态（稳流还是湍流）等。而流体流经空间几何形状和表面状况，流体流速和流体密度，流体粘度和温度，又会影响流体流动形态。

风冷系统

风冷系统，是利用空气的受迫流动对目标系统进行冷却的装置，主要组成部分包括风扇、流道、散热器，还可以包括集热器、热管等配合风冷设备共同发挥作用的装置。

一般的风冷系统，在一个封闭空间内，设置进风口和出风口。空间内的冷却对象的结构布置形式，尽量组合成理想的空气流道，使得散热效果均匀一致。如果冷却对象有流动空气难于直接抵达的部位，则配套设计风冷散热器，将热量从冷却目标内部传导至外部，与流动空气充分接触，保证散热效率和均匀性。

基于影响对流散热因素的认识，散热器往往会设计出较大的空气接触面积，比如翅片就是风冷散热器的常用形式。下图中的旧式暖气，就是翅片散热的一种形式。

2风冷系统总体设计

动力电池包选择使用风冷系统作为冷却手段，需要确定如下事项：

电池包总体发热能力；

风冷系统散热能力；

电池包内模组的排列方式；

进出风口位置；

气流通道规划；

风扇类型选择（鼓风还是抽风）；

选择散热器形式（如果有）；

风冷系统原理框图（体现以上内容）；

风冷控制策略。

3设计流程

3.1电池单体和电池组生热量和生热速率计算（略）

昨天的文章《锂电池液冷系统设计，有哪些需求和计算》，其中项目需求以及电池生热计算部分，不同冷却方式，这两部分不会有太大差异。本文重点记录风冷的设计中不同于水冷的部分。

3.2风扇选型

根据3.1的计算结果，电池包的生热功率作为冷却系统散热能力的下限，还要保有一定余量。

风扇送风有两种类型，鼓风风扇和抽风风扇。鼓风式风扇，风压大，风量集中，适用于电池模组布置密度不均匀情形。抽风风扇，风压小，风量分散但均匀，在风冷中被使用频率较高。两种风扇均可匹配管道使用，但电池包冷却很少采用这类形式。

风扇的基本参数：转速、风压、风量、噪音，以及供电功耗和可控档位数量。风扇电源电压，需要注意与电池管理系统提供的电源等级相匹配。

3.3风冷散热器的选型

在风冷系统中，有的情形，直接让气流在需要散热的空间内流过，达到散热目的；有的情形，在电池组中设计散热器，将电池热量快速导出，冷却气流流过散热器表面，提高散热效率；还有一种形式，风扇并不装配在电池包箱体上，而是由其他冷却形式的散热器将热量引出电池包，传递给电池包外部的风冷散热器，再以风冷的形式将热量散发到空气中。

在电池箱体统一提出密封等级要求以后，最后一种利用风冷的形式会越来越多的被应用。

于是有必要讨论一下，从电池包内引出到风冷散热器的热量，什么条件必须采用风冷？有资料给出了根据散热器表面的热流密度选择风冷还是自然冷却的数据依据：

对于通风条件好的场合，散热器表面热流密度小于0.024W/cm^2，可以选择自然冷却；大于这个值，则必须强迫风冷；当热流密度大于0.078W/cm^2时，则风冷不能维持当前温度，必须采取其他更高效的冷却措施。

以上数据，不是在动力电池包上得出的数据，借鉴以后，还需要进一步验证。

风冷散热器选型

按照热量被引出电池包以外，应用风冷散热器这种类型讨论选型。

整个热的传递路径：电芯生热，传递给热量收集器，通过热管等高效热传递形式传递给电池包外部散热器。根据整个热传递过程中允许的热阻，选择散热器。每一个热传递界面的热阻均取最大值，电芯允许的最高温度保留足够余量。在满足前面要求的前提下，计算最终外部风冷散热器的最大热阻。然后选择热阻值小于计算值的散热器即可。

4风冷可以与哪些冷却形式配合使用

水冷，水冷需要在电池包内部布置水冷散热器及管路，热量通过回水管路被传递到电池包以外。高温冷却液的降温，可以采用多种形式，其中一种，就是利用蒸发器将热量散发到空间中。风冷装置，可以提高蒸发器的工作效率。

热管，热管是一种传热效率极高的温控装置，工作状态下，一端作为冷凝段冷却周边环境，另一端作为蒸发段，将热量散发到周边环境中去。蒸发段，可以与风冷系统匹配工作。

相变材料，相变材料的一个特点是，在吸热过程中存在一个恒温阶段，系统内配置相变材料，可以为电池最大限度的提供恒温、均温的工作环境。相变材料可以与水冷、风冷同时使用。