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电池箱（或电池包）内不同电池芯和电池模组之间的温差会加剧电池内阻和发热的不一致性。如果长时间积累，会导致部分电池过充或过放，影响电池寿命和性能，并造成安全隐患。不同电芯之间的温差与电池组/模组的排列方式有很大关系。一般电池中心温度高，边缘散热条件好，温度低。因此，在安排电池包/模组结构和散热设计时，需要尽可能保证各电池单体散热的均匀性。根据通风方式，风冷电池冷却主要分为串联通风和并联通风两种模式。基本原理如图 1 所示。
图1——串并联通风示意图
图1(a)为串联通风，低温空气从左侧进入电池模块，从右侧排出电池模块。空气在流动过程中不断被加热，所以右边的电池散热效果比左边的差，右边的电池温度很可能比左边的高。图 1(b) 显示平行通风。通过楔形进排气通道设计，使电芯和电池模组之间的气流平行通过，有利于空气在不同电芯和电池模组之间的分布更加均匀。
1.串联通风
他在弗吉尼亚理工大学的等人构建了一个串联通风电池模块。电池模块由8节A12326650动力电池（2.3A·h，3.3V）4串2排并联组成。最终电池模组电压为14.8V，容量为4.6A·h。实验平台包括充放电设备、温度、压力、测速装置、控制装置、风洞装置等，风洞装置可有效控制风速，风速范围为0.5~30m·s -1. 他等人。借助ANSYS/FLUENT软件对该模块进行了二维数值模拟研究。数值模型忽略了流体参数和流场方向的变化。CFD模型示意图和网格划分结果分别如图2(a)和(b)所示。网格采用四边形非结构化网格。由于电池附近速度梯度较大，边界层网格已经细化。
图 2 - CFD 模型和网格划分示意图
H等人的研究思路。就是用实验结果来验证数值模型，然后用数值模型研究不便测量或相对昂贵的实验方案。在这个串联通风电池组模型中，He 等人。获得了代表电池模块的温度、空气流速和压力的实验测量值。他们的实验和模拟结果的比较非常吻合。随后，他们利用经过验证的数值模型对不同风速、不同电池壳距离下的能耗进行了仿真分析，结果如图3所示。从图中可以看出，对于两种间距条件，随着风速的增加，能耗功率增加，当风速从0.1m·s增加时-1 到10m·s -1，能耗增加了5个数量级，可见优化电池热管理系统能耗的重要性。电池壳间距为5mm时的能耗大于间距为17mm时的能耗。这是因为在相同风速下，间距增大，（Re）雷诺数减小，摩擦系数减小。
图 3 - 不同风速和距离下的能源消耗
2.平行通风
刘等人。天津大学构建并联通风简化计算模型，预测大型风冷电池组中电池组的气流速度和温度分布。这种并联通风简化计算模型的示意图如图4所示。图4(a)为整个大型电池组，由楔形进出风管和若干个相同的电池模块组成。电池模块的结构如图4（b）所示。电池模组由8个电芯组成，内含5个电芯，单体为圆柱形18650电芯。同一电池单元中相邻的两个电芯通过极板连接，使得两组电芯之间夹有单独的冷却通道。风道末端的min ，以及电芯间距l sp 是影响速度和温度分布的研究对象。
图4——平行通风模型示意图
这种简化的计算模型包括流阻网络模型和瞬态传热模型。流阻网络模型主要计算不可逆压力损失，包括局部损失和摩擦损失，然后通过压力和速度的变换关系得到整个系统的速度分布；瞬态传热模型利用流阻网络模型导出的速度场计算对流传热系数，然后结合电池产热模型和电池单体中心参数热模型得到的产热量，得到温度变化电池单体、电池单体和电池模块。刘等人。利用Runge-Kutta算法对瞬态传热模型中的相关微分方程进行离散化处理，通过MATLAB软件编程求解流阻网络模型和瞬态传热模型。将这种简化计算模型的计算结果与CFD模型的结果进行比较，两者吻合较好。
图5(a)~(c)分别反映了风道夹角θ、 回风道末端最小宽度ωmin、单元间距lsp对速度 和温度均匀性的影响电芯的分布。从图中可以看出，速度和温度的均匀性随着风道角度θ的增大而提高。为使电芯最大温差小于5℃，在5℃放电时，角度θ不能小于16.5°；4C放电时，角度θ不能小于13.2°。同样，当角度θ为10°时，5C和4C放电时的最大温差可以小于5°C，只有间距l sp 电池单元的厚度分别至少为 16.4 毫米和 10.1 毫米。增大θ和l sp这两个参数 可以降低流道的压力损失，但也明显增加了电池模组的体积，降低了电池模组的能量密度。当θ为10°，lsp为 1mm时，回风管端部最小宽度Wmin至少分别为14.1mm和8.3mm，以满足排放小于5℃和4℃时的最大温差5°C。对比结果表明，只调整回风管尺寸ωmin比 调整进风管和回风管ωmin更有优势 同时，由于进风管压降不如回风管明显。图5(d)为电池组中各电池模组的入口流量、最高温度和最低温度。从图中可以看出，各模块的体积平均温度不相等，与入口流量呈负相关。
图5——风冷散热特性
韩国现代汽车公司的Heesung根据热性能要求设计了一种特殊的强制风冷散热模型，并通过理论分析和数值模拟相结合的方式研究不同的通风结构，进而进行结构优化设计。该系统由两排电池组组成，每排电池组由 36 个电池单元和 37 个冷却通道组成。整个电池组电压为270V，储能为1400W·h，单体电池表面热流密度为245W·m -2。
冷却通道流量分布直接影响电池组的温度均匀性，通道结构对流量分布至关重要。在此前提下，Park设计了五种不同的通风结构，如图6(a)~(e)所示。方案一的进气歧管和回气歧管为矩形，方案二和方案三的进气歧管和回气歧管分别为斜角，方案四在方案三的基础上将出风口方向改为反方向，第五种方案是在第三种方案的基础上，在右侧开一个窄长孔。
图 6 - 五种不同的通风方法
图7(a)~(e)反映了五种不同通风结构的电池包的温度分布云图。从图中可以看出，电池组的最高温度直接受通过冷却通道的流量影响。第一种方式中的最高温度出现在距离出风口最远的电池上，这是由于最右侧的转轮中的气流最小。第二种逐渐放人口、逐渐变细出风口的方法，使电池组最高温度的位置向出风口方向移动，传热变差，最高温度远高于第一种方法。第三种锥形进、出口方式可大大降低最高温度，但仍不能满足热设计要求。对于进、出口在同一侧的情况，由于人口出口处流道压力急剧增加，流速大大降低，传热性能变差，导致温差较大电池组。第四种方法可以大大降低最高温度。这样可以看出，在远离入口的地方释放通道的压力可以大大提高流量分布的均匀性，从而提高冷却性能。第五种方法借鉴了第三种和第四种方法，最高温度低于第四种方法，最高温差低于设计要求20℃。对于进、出口在同一侧的情况，由于人口出口处流道压力急剧增加，流速大大降低，传热性能变差，导致温差较大电池组。第四种方法可以大大降低最高温度。这样可以看出，在远离入口的地方释放通道的压力可以大大提高流量分布的均匀性，从而提高冷却性能。第五种方法借鉴了第三种和第四种方法，最高温度低于第四种方法，最高温差低于设计要求20℃。对于进、出口在同一侧的情况，由于人口出口处流道压力急剧增加，流速大大降低，传热性能变差，导致温差较大电池组。第四种方法可以大大降低最高温度。这样可以看出，在远离入口的地方释放通道的压力可以大大提高流量分布的均匀性，从而提高冷却性能。第五种方法借鉴了第三种和第四种方法，最高温度低于第四种方法，最高温差低于设计要求20℃。流量大大降低，传热性能变差，导致电池组温差大。第四种方法可以大大降低最高温度。这样可以看出，在远离入口的地方释放通道的压力可以大大提高流量分布的均匀性，从而提高冷却性能。第五种方法借鉴了第三种和第四种方法，最高温度低于第四种方法，最高温差低于设计要求20℃。流量大大降低，传热性能变差，导致电池组温差大。第四种方法可以大大降低最高温度。这样可以看出，在远离入口的地方释放通道的压力可以大大提高流量分布的均匀性，从而提高冷却性能。第五种方法借鉴了第三种和第四种方法，最高温度低于第四种方法，最高温差低于设计要求20℃。可以看出，在远离入口的地方释放通道的压力可以大大提高流量分布的均匀性，从而提高冷却性能。第五种方法借鉴了第三种和第四种方法，最高温度低于第四种方法，最高温差低于设计要求20℃。可以看出，在远离入口的地方释放通道的压力可以大大提高流量分布的均匀性，从而提高冷却性能。第五种方法借鉴了第三种和第四种方法，最高温度低于第四种方法，最高温差低于设计要求20℃。
图7——五种通风模式下温度分布云图
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日本NEC锂电池中国营销中心于2023-04-22 11:43:08 整理发布。
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