低溫工況下液冷一體化電池包的熱性能優(yōu)化研究

黃文雪

某項(xiàng)目采用高集成度的液冷一體化電池包。由于采用液冷板替代箱體底板，其低溫加熱和保溫性能都受到了影響。利用仿真工具對電池包的傳熱路徑進(jìn)行了分析優(yōu)化，比較了3種不同流道走勢、不同保溫系數(shù)和不同進(jìn)口工質(zhì)溫度對電池包在低溫加熱、保溫及慢充工況下的影響。結(jié)合臺架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)，證實(shí)了最優(yōu)化熱管理方案，改善了電池包在低溫工況的熱性能。關(guān)鍵詞：液冷一體化電池包;電池液熱系統(tǒng);低溫加熱;保溫

0 前言

為了應(yīng)對日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題，世界各國均將發(fā)展新能源汽車納入國家發(fā)展戰(zhàn)略，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)[1]。動力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的核心部件之一，其性能優(yōu)劣直接決定了新能源車輛性能是否達(dá)標(biāo)[2]。鋰離子電池作為動力電池系統(tǒng)的能量載體，其性能和壽命受工作或存儲溫度影響較大。當(dāng)電池溫度低于最優(yōu)工作區(qū)間時，電池系統(tǒng)性能大幅衰減，壽命衰退明顯[3]。同時，低溫工況也極大影響了鋰電池的充放電性能。當(dāng)環(huán)境溫度低于-10 ℃時，動力電池的充電電流受到限制，微弱的充電電流帶來的電池自發(fā)熱無法使電池升溫到允許大電流充電的要求溫度[4]，動力電池將面臨無法充電的境況，這極大限制了新能源汽車在低溫地區(qū)的推廣和用戶在冬季的用車。因此，動力電池在低溫工況下的熱管理系統(tǒng)研究勢在必行，優(yōu)化電池低溫工況下的熱性能已成為行業(yè)關(guān)注重點(diǎn)[5]。

某項(xiàng)目電池包采用一體化液冷板，將冷板與箱體進(jìn)行集成，替代了箱體底板。一體化液冷板一方面能起到支撐作用，另一方面能夠減小箱體質(zhì)量，提高整包能量密度。但是，此電池包中的液冷板近乎直接與外界接觸，液冷板與箱體間的熱阻大大降低，導(dǎo)致電池包在低溫工況下的熱性能受到更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這對熱管理系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文利用仿真工具對低溫工況下電池包的傳熱路徑、流道走勢、保溫系數(shù)和不同進(jìn)口工質(zhì)溫度進(jìn)行優(yōu)化分析，得到了最優(yōu)化的熱管理方案，再經(jīng)過臺架試驗(yàn)與整車試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

1 熱管理系統(tǒng)方案

某項(xiàng)目電池包熱管理系統(tǒng)整體方案如圖1所示。磷酸鐵鋰電芯單體的電容量為52 A·h，以3P4S排列方式串接成1個模組，共計(jì)25個模組。其中，23個模組為橫向排列，2個模組為縱向排列，其下鋪設(shè)1 mm厚導(dǎo)熱墊。導(dǎo)熱墊下則為一體化沖壓液冷板，厚度為6.7 mm，其中上板壁厚1.5 mm，流道厚度為4.0 mm，下板壁厚度為1.2 mm。為防止液熱系統(tǒng)熱量從下方逸散至箱體外，在液冷板下方放置有厚度為2.3 mm的隔熱墊，起到保溫和緩沖的效果。箱體底護(hù)板厚度僅為1.2 mm，承重主要由一體化沖壓液冷板承擔(dān)。本文涉及到以下3種低溫工況，包括低溫加熱、低溫保溫和低溫慢充。3種低溫工況條件如表1所示。為了得到最優(yōu)的熱管理方案，在仿真分析時，技術(shù)人員將比較以下變量：（1）液冷板側(cè)端與箱體間增加1層厚度為2.0 mm、導(dǎo)熱系數(shù)為0.04 W/（m·K）的保溫材料，稱之為“隔斷”，并且與無隔斷情況下進(jìn)行低溫慢充工況的熱仿真進(jìn)行對比;（2）取消空氣隔熱墊，并與有空氣隔熱墊的情況下，電池包在低溫保溫工況下的熱仿真進(jìn)行對比;（3）在進(jìn)口加熱工質(zhì)溫度30 ℃和40 ℃的情況下，對熱仿真結(jié)果進(jìn)行對比。

2 熱仿真分析

2.1 仿真模型選擇及物性參數(shù)設(shè)置

本文電池加熱模型的換熱類型為液體對流換熱。加熱工質(zhì)與液冷板間進(jìn)行對流換熱，液冷板與導(dǎo)熱墊、導(dǎo)熱墊和電池模組之間進(jìn)行熱傳導(dǎo)，從而對電池模組進(jìn)行加熱。因此，計(jì)算模型選擇的重點(diǎn)之一在于確定加熱工質(zhì)流動狀態(tài)為層流或湍流。在流體力學(xué)中，一般規(guī)定雷諾數(shù)Re小于2 300為層流，大于2 300為湍流。Re的計(jì)算公式如式1。

式中，ρ為流體密度，單位kg·m-3;v為流體速度，單位m·s-1;d為流道特征長度，單位m;μ為流體粘性系數(shù)，單位kg/（m·s）。

流道特征長度d與流道橫截面有關(guān)，若橫截面為圓形，則d為內(nèi)徑;若橫截面為矩形或可等效為矩形，則d為當(dāng)量直徑D。假設(shè)矩形長度為A，寬度為B，則計(jì)算公式如式2。

某項(xiàng)目中流道橫截面可等效為矩形，寬度為4 mm，長度為22 mm，流體流量為10 L·min-1，加熱工質(zhì)采用50%的乙二醇水溶液，其物性參數(shù)如表2所示。根據(jù)以上計(jì)算，在本項(xiàng)目加熱工質(zhì)中，Re約為11 000，遠(yuǎn)大于2 300，呈現(xiàn)湍流特征。湍流的計(jì)算模型通常選擇k-ε模型。因?yàn)榉肿娱g粘性阻力較小，該加熱工質(zhì)收斂速度快[6]。加熱工質(zhì)模型選擇三維、恒密度、隱式非定常、湍流、k-ε湍流、分離流、分離液體溫度、重力、單元質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行校正，進(jìn)口邊界條件為質(zhì)量流量入口，出口邊界條件為壓力出口。

模組可視作1個單元參與熱交換，其模型選擇三維、固體、恒密度、隱式非定常、分離固體能量、單元質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行校正，與液冷板一致，兩者的具體物性參數(shù)如表2所示。

2.2 傳熱路徑分析及優(yōu)化

在低溫工況下，模組（電芯）散熱速度快且散熱量大，因此有必要分析模組的傳熱路徑。針對其主要傳熱路徑，技術(shù)人員進(jìn)行了路徑優(yōu)化，以增強(qiáng)其在低溫工況下的加熱和保溫性能。模組主要與空氣、側(cè)面端板和下方導(dǎo)熱墊接觸傳熱。由于導(dǎo)熱墊厚度小且導(dǎo)熱系數(shù)高，其側(cè)面散熱量與上下端散熱量相比可忽略不計(jì)，因此模組至導(dǎo)熱墊的散熱路徑可基本等效為模組至液冷板。作為加熱主體的液冷板的散熱路徑為上方空氣、側(cè)端箱體和下端隔熱墊。

在無隔斷方案下，技術(shù)人員進(jìn)行了在低溫慢充工況下的電池包熱仿真分析。整個過程中的模組和液冷板的散熱功率如表3所示?？梢钥闯?，模組的散熱功率共188.2 W，其中73%的散熱量從液冷板路徑傳出，25%的散熱量傳熱至空氣，端板處的散熱可忽略不計(jì)。在液冷板散熱路徑上，箱體散熱最多，占比53%;隔熱墊雖與液冷板接觸面積最大，但由于熱阻遠(yuǎn)高于箱體，此路徑散熱量僅占比29%。因此，若在液冷板側(cè)面與箱體間增加1層保溫材料（隔斷），增大此路徑熱阻，或可有效降低模組的散熱性能。增加隔斷后的散熱路徑分析如圖2所示。在增加隔斷后，液冷板與箱體間的散熱功率顯著降低，從53%降至45%，總的液冷板散熱功率從152.4 W降至132.1 W?？梢?，液冷板的散熱得到有效控制。在散熱路徑得到優(yōu)化后，模組總體的散熱功率從188.2 W降至178.5 W，降低了5.2%，模組散熱得到了控制。如圖2所示，在增加隔斷后，在低溫慢充狀態(tài)下，電池包的25個模組平均溫升速率從45 ℃/h升至49.3 ℃/h，電芯間最大溫差從8.7 ℃降至7.6 ℃，低溫工況下的熱性能得到提升。

2.3 不同流道走勢下的電池包溫度分布及優(yōu)化

電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一在于液冷板流道走勢的設(shè)計(jì)。流道走勢的不同將大大影響模組的溫

度分布及電芯間的最大溫差。液冷板中3種不同的流道走勢如圖3所示。在a方案中，加熱工質(zhì)從中間流入，兩側(cè)流出;在b方案中，加熱工質(zhì)從左側(cè)流入，右側(cè)流出;在c方案中，加熱工質(zhì)從兩側(cè)流入，中間流出。首先考察3種方案流道走勢的系統(tǒng)壓降與流量均一性。流量均一性指的是每個電芯底部液冷板內(nèi)通過的流量一致程度，流量均一性高可有效降低電池包內(nèi)最大溫差。以c方案為例，在環(huán)境25 ℃時系統(tǒng)壓降為17.9 kPa，遠(yuǎn)小于項(xiàng)目要求的60.0 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。技術(shù)人員在c方案中選取上下各4個截面，根據(jù)截面通過的電芯數(shù)量平均分配總流量，得出目標(biāo)流量，并與該截面的仿真流量結(jié)果進(jìn)行對比（表4）。由表4可以看出，8個截面仿真結(jié)果與目標(biāo)流量間偏差均不大于10%。這表明流量均一性較高，符合設(shè)計(jì)需求。

3種方案的低溫加熱仿真結(jié)果顯示：a方案整包最低溫度為-9 ℃;b方案整包最低溫度為0 ℃;c方案整包最低溫度為6 ℃。由此可見，c方案的低溫加熱效果最佳。另外，從模組上的溫感采集數(shù)據(jù)顯示：a方案模組最大溫差為16.8 ℃，b方案模組最大溫差為13.4 ℃，c方案模組的最大溫差最小，為8.3 ℃。這與理論計(jì)算結(jié)果一致，原因是兩側(cè)邊界熱阻最低，中間熱阻最高。a方案的加熱工質(zhì)從中間流入，熱量經(jīng)模組交換后加熱工質(zhì)流至邊界，從邊界流經(jīng)最長距離后至出水口，如此熱損失與溫差最大，而c方案的流向則與a方案的相反，溫差最小。

綜上所述，c方案流道走勢低溫加熱效果最佳，壓降與流量均一性均能滿足設(shè)計(jì)需求，因此選用該方案。

2.4 不同保溫系數(shù)在低溫保溫工況下的對比

液冷板與箱體底板間有1層厚度為2.3 mm、導(dǎo)熱系數(shù)為0.030 W/（m·K）的隔熱墊?？紤]到空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.023 W/（m·K），比隔熱墊保溫效果更佳，且能節(jié)省成本，減少質(zhì)量，因此有必要取消隔熱墊后進(jìn)行低溫保溫工況下的仿真對比。25個模組的溫度檢測如圖4所示。從圖4可以看出，空氣的平均溫度降速為2.3 ℃/h，小于隔熱墊的平均溫度降速（3 ℃/h），而兩者的電芯最大溫差均為8.5 ℃。可見，空氣隔熱的低溫保溫效果更佳，并且選用空氣隔熱還能達(dá)到減質(zhì)降本的效果。

2.5 不同進(jìn)口加熱工質(zhì)溫度的低溫?zé)嵝阅芊治?/p>

在理論上，進(jìn)口加熱工質(zhì)溫度越高，低溫加熱效果越好。但由于溫度越高與周圍環(huán)境溫差越大，散熱更快，電池包內(nèi)電芯最大溫差有升高的風(fēng)險(xiǎn)，并且能耗更高。為了選擇合適的進(jìn)口加熱工質(zhì)溫度，本文比較了進(jìn)口溫度分別在30 ℃和40 ℃時，低溫加熱模組溫度的溫差與極值，如圖5所示。在30 ℃時，模組最低溫度為1.0 ℃，最高溫度為13.3 ℃，全程最大溫差為12.8 ℃，平均溫升速率為21.0 ℃/h。在40 ℃時，最低溫度為7.5 ℃，最高溫度為19.4 ℃，全程最大溫差為11.9 ℃，平均溫升速率為29.3 ℃/h，相對溫升速率提高了39.5%，最大溫差降低了0.9 ℃，且模組整體溫度升高約6.0 ℃。

3 臺架及整車試驗(yàn)

技術(shù)人員確定了最優(yōu)的熱管理方案，即增加液冷板側(cè)端與箱體間隔斷、最優(yōu)的流道走勢方案、液冷板與箱體間取消隔熱墊，選用進(jìn)口加熱工質(zhì)溫度為40 ℃。仿真數(shù)據(jù)顯示，此方案在低溫工況熱性能得到有效提升。由于仿真數(shù)據(jù)往往與實(shí)際試驗(yàn)存在一定偏差，因此技術(shù)人員將其與低溫狀況下的整包臺架試驗(yàn)與整車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。

3.1 臺架試驗(yàn)

在臺架試驗(yàn)時，技術(shù)人員將電池包置于木箱內(nèi)，再將木箱放置于環(huán)境倉進(jìn)行試驗(yàn)。木箱能夠避免環(huán)境倉中的循環(huán)風(fēng)影響，保持電池包表面自然對流的狀態(tài)。環(huán)境倉溫度為-20 ℃，流體入口溫度為40 ℃，空氣流量為10 L·min-1，電芯不充電。圖6示出了整包臺架試驗(yàn)時的32個負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻溫度傳感器（NTC）溫感采集溫度分布。技術(shù)人員將25個NTC布置在模組正面，其中12個位于模組正中心，13個位于模組邊上，另外有7個NTC布置在模組底部。此布置方案可捕捉到電芯最大溫差。由于底部有液冷系統(tǒng)加熱，底部溫感溫度相對于頂面較高。底部溫度最高處在頂面溫度最高處，位于a1處，溫度為30.9 ℃。這是因?yàn)榇四＝M距離進(jìn)水口最近，加熱工質(zhì)熱損失最小。最低溫度位于d1處，溫度為18.3 ℃，底面最大溫差為12.6 ℃。此外，隨著加熱工質(zhì)從兩側(cè)流入，a1、b1、c1的底面溫度溫差僅為1.7 ℃，而c1與d1的底面溫差為10.9 ℃。由此可見，c1與d1的流道路徑上散熱極大。在頂面上，a2的溫度最高，為16.1 ℃;a4溫度最低，為7.5 ℃。這是由于a4距離流道出口處最近，頂面最大溫差為8.6 ℃，滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2 整車試驗(yàn)

在整車試驗(yàn)時，荷電狀態(tài)（SOC）和平均電芯溫度如圖7所示。整車總試驗(yàn)時間為86 min，行車分為3段。第1段從0 min至60 min，SOC從100%線性降低至62.6%，電芯平均溫度從-16.6 ℃線性升至-1.2 ℃，平均溫升速率為15.0 ℃/h。第2段從60 min至72 min，SOC從62.6%線性降低至38.5%，電芯平均溫度從-1.2 ℃升至14.0 ℃，平均溫升速率為76.0 ℃/h。第3段從72 min至85 min，SOC和電芯平均溫度基本保持不變。在前72 min整車運(yùn)行過程中，平均溫升速率為25.5 ℃/h，滿足設(shè)計(jì)需求。表5示出了整車試驗(yàn)時電芯內(nèi)部溫升數(shù)據(jù)。從表5可以看出，電芯最大溫差不超過2.2 ℃，基本滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

由于某項(xiàng)目的液冷一體化電池包在低溫工況下的熱性能表現(xiàn)較差，本文利用仿真工具針對其熱管理系統(tǒng)的傳熱路徑、流道、保溫系數(shù)，以及進(jìn)口工質(zhì)溫度進(jìn)行了優(yōu)化，得到以下結(jié)論。

（1）一體化液冷板作為加熱的主體，在低溫慢充工況下，有53%熱量從側(cè)端處至箱體傳出。在此傳熱路徑上增加隔斷，散熱功率降低了9%，模組總體散熱功率降低了5%。

（2）流道走勢設(shè)計(jì)選擇兩邊流入中間流出的方式，其低溫加熱效果最佳。模組整體溫度最高，溫差最小。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較隔熱墊低，其低溫保溫效果更好，平均溫降速率相對降低了23%。與進(jìn)口工質(zhì)水溫在30 ℃時相比，在40 ℃時，模組溫度提高了約6.0 ℃，平均溫升速率提高了39.5%。

最后，技術(shù)人員進(jìn)行了臺架和整車試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較高。因此，此研究可以應(yīng)用于一體化液冷板的電池包熱管理設(shè)計(jì)優(yōu)化，對于電池?zé)嵝袨榈难芯烤哂兄匾笇?dǎo)意義。

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