新型動力電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計及性能研究

曾祥兵，謝 堃，張 偉，徐俊超，張培根，孫正明

（1.東南大學材料科學與工程學院，江蘇省先進金屬材料高技術(shù)研究重點實驗室，南京 211189；2.奇瑞新能源汽車股份有限公司，蕪湖 241000）

前言

隨著社會經(jīng)濟的日益發(fā)展，能源需求進一步提高，尤其是在“雙碳”背景下，新能源技術(shù)的呼聲越來越高，發(fā)展電動汽車已是大勢所趨。動力電池作為電動汽車的核心部分，其性能和使用壽命直接決定了電動汽車的性能和成本。鋰離子動力電池因壽命長、自放電率低、比功率高、能量密度大和無污染等優(yōu)點，成為電動車輛主要的選擇。但是鋰離子電池充放電存在一個最優(yōu)溫度區(qū)間，電池充放電時會產(chǎn)生大量的熱量，熱量累積導(dǎo)致電池溫度不斷上升。當電池溫度升高，超出它的允許工作溫度范圍時，會導(dǎo)致充放電能力急劇下降，甚至使放電無法完成，為了保證電池的正常工作，需要采取輔助降溫措施。冬季時，低溫下充電會發(fā)生析鋰現(xiàn)象，影響電池的性能和壽命，因此需要對電池進行加熱。通常在電池系統(tǒng)內(nèi)的模組底部設(shè)置一套液冷板，液冷板通過連接管路與循環(huán)泵、熱交換器、過水加熱器形成一套循環(huán)加熱冷卻系統(tǒng)。當高溫電池需要冷卻時，啟動空調(diào)系統(tǒng)和水泵，利用熱交換器對冷卻介質(zhì)進行降溫，降溫后的冷卻介質(zhì)流經(jīng)電池包內(nèi)部，與模組進行熱量交換，帶走電池的熱量。當?shù)蜏仉姵匦枰訜釙r，啟動水泵和過水加熱器，加熱后的冷卻介質(zhì)循環(huán)通過液冷板，對電池進行加熱。

當前電池廠家采用的液冷板主要有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種是微通道管，采用鋁合金多孔扁管，兩端與匯集管釬焊連接。這種結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，但自身剛度不高，需要結(jié)構(gòu)件的支撐，才能使扁管壓緊模組的底部，以保證良好的導(dǎo)熱。另一種是雙層沖壓板結(jié)構(gòu)，上層為平面鋁板，下層為鋁板沖壓流道結(jié)構(gòu)，上下層鋁板通過高溫釬焊連接。這種結(jié)構(gòu)的流道設(shè)計比較自由，并能很好地適應(yīng)電池包內(nèi)不規(guī)則的模組排布。

然而，無論是采用微通道管或者沖壓板結(jié)構(gòu)，流道成型均需采用釬焊工藝，且焊接面積較大、焊接部位較多，存在一定的泄漏隱患。且由于液冷板布置在電池包內(nèi)部，一旦液冷板出現(xiàn)冷卻液泄漏，可能造成電池包內(nèi)部短路甚至起火的風險。另外，大部分液冷方案的支路流道流量的分配是固定的，不能根據(jù)模組冷卻需求靈活調(diào)節(jié)冷卻液的供應(yīng)，導(dǎo)致分區(qū)的冷卻速度不一致，增大了電池系統(tǒng)內(nèi)部溫差。

為此，本文中提出了一種新型電池液冷系統(tǒng)的設(shè)計方案，基于獨立式盤繞鋁管嵌入鋁材基板結(jié)構(gòu)，設(shè)計了新的液冷板，其中，鋁板為無焊縫設(shè)計，冷卻管路采用特殊工藝嵌入冷板上；同時集成了正溫度系數(shù)（positive temperature coefficient，PTC）熱敏模塊，以進行內(nèi)部加熱，實現(xiàn)了冷熱集成；進一步采用了液冷流量實時分配，使其既能滿足電池系統(tǒng)的快速冷卻和加熱需求，并能根據(jù)模組溫度靈活調(diào)節(jié)各分區(qū)的冷卻液的供應(yīng)，保證各分區(qū)電池模組溫度的均勻性。

1 新型冷熱集成系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 新型冷熱集成系統(tǒng)介紹

本文中設(shè)計的冷熱集成系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由循環(huán)泵、換熱器、比例閥、電池包內(nèi)液冷流道構(gòu)成循環(huán)回路，并設(shè)置集成PTC加熱回路。循環(huán)泵驅(qū)動冷卻介質(zhì)循環(huán)流動，冷卻介質(zhì)在電池包內(nèi)吸收熱量，經(jīng)過換熱器釋放熱量。進電池包的液冷管路分為4路，分別對包內(nèi)4個分區(qū)進行冷卻。在電池包外各冷卻管進口設(shè)置比例調(diào)節(jié)閥，充放電運行過程中，根據(jù)不同分區(qū)的換熱需求，通過比例閥實時調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)流量，及時均衡各區(qū)域模組之間的溫差。當電池溫度達到設(shè)定閾值＞40℃時，水泵和空調(diào)系統(tǒng)開始工作，比例閥全部調(diào)至80%開度，對各分區(qū)模組進行冷卻。當BMS檢測到各區(qū)域模組平均溫度之間的差值達到設(shè)定閾值即-?-≥3℃時，高溫區(qū)域?qū)?yīng)比例閥開度增大到100%，低溫區(qū)域?qū)?yīng)比例閥開度減小到60%，其它區(qū)域比例閥開度保持原80%不變。當電池管理系統(tǒng)BMS檢測到各區(qū)域模組平均溫度之間的差值達到設(shè)定閾值即-?-≤2℃時，所有比例閥開度回調(diào)至原開度80%。另外，在冷卻板上集成了PTC加熱條單獨形成加熱回路，根據(jù)整包溫度需求，可通過回路電流調(diào)節(jié)加熱速率。

圖1 電池冷熱集成系統(tǒng)示意圖

根據(jù)車輛續(xù)航里程要求和給定的包絡(luò)空間，電池包模組排布示意如圖2所示。液冷板安裝在模組底部，模組與液冷板之間布置有導(dǎo)熱墊，以填充模組與液冷板之間的空隙，保證與模組底面的良好接觸，以利于熱量的傳導(dǎo)。電池包內(nèi)的模組劃分為4個冷卻分區(qū)，設(shè)計相應(yīng)的液冷板與每個分區(qū)的模組相配合。

圖2 電池包模組排布示意圖

1.2 嵌管式液冷板設(shè)計

1.2.1 液冷板基材結(jié)構(gòu)設(shè)計

液冷板設(shè)計為盤繞鋁管嵌入鋁材基板的結(jié)構(gòu)。盤繞鋁管采用整根鋁管彎折成型的擠出管，具備良好的延展性，鋁材基板采用擠壓成型模一體成型。鋁材基板上成型有多個與鋁管的外圓相配合的凹槽結(jié)構(gòu)，以及容納發(fā)熱芯片的長方扁孔腔體結(jié)構(gòu)，其截面形狀如圖3所示。鋁管與鋁材基板通過釬焊結(jié)合，構(gòu)成嵌管式液冷板。

圖3 嵌管式液冷板鋁材基板結(jié)構(gòu)截面

1.2.2 鋁管盤繞設(shè)計與液冷散熱效果模擬

根據(jù)電池包的模組尺寸，單個分區(qū)的液冷板尺寸設(shè)計成355 mm×1 200 mm。鋁管在鋁材基板的凹槽內(nèi)進行盤繞構(gòu)成嵌管式液冷板。冷卻介質(zhì)溫度沿流程不斷升高，模組溫度沿流道方向也逐漸升高。為此，本文中采取雙向流動流場設(shè)計，進液管段與出液管段并行布置，以盡可能縮小液冷板表面的溫差。

為了保證液冷板和冷卻介質(zhì)之間的傳熱效果，鋁管與鋁板之間應(yīng)有足夠的接觸傳熱面積，同時為了降低流阻，須對鋁管管長進行控制。本文中選取3種不同直徑的鋁管進行盤繞設(shè)計，由于不同的管徑所需的折彎半徑不同，故所能布置的盤管長度也不相同。根據(jù)鋁板尺寸和工藝限制，直徑為8、10和12 mm的圓管在鋁材基板上可分別布置12、10和8根直管段，各規(guī)格圓管盤繞示意見圖4。

圖4 不同規(guī)格鋁管盤繞示意圖

為對比上述3種盤管方案對應(yīng)條件下的散熱效果和流道阻力，對不同的方案進行了仿真分析。仿真條件如下：環(huán)境溫度40℃，根據(jù)模組發(fā)熱功率，冷板表面設(shè)置均勻熱負載，功率為2 369 W/m，冷卻介質(zhì)物性參數(shù)按照50%水+50%乙二醇進行設(shè)置，冷卻介質(zhì)入口溫度為20℃，流量為3 L/min，液冷板與環(huán)境進行對流換熱。仿真結(jié)果的溫度場云圖如圖5所示?？梢钥闯?，3種方案中，8和10 mm的盤管，液冷板溫度場較為均勻，而12 mm盤管，液冷板溫度場均勻性較差，這是由于12 mm盤管方案在液冷板表面可以設(shè)置的直管段較少，這一點也可以從表1中看出，直徑為12 mm的盤管在鋁板表面能夠盤繞的長度為8 000 mm，導(dǎo)致散熱效果較差。

圖5 不同規(guī)格鋁管盤繞方案液冷板表面溫度場

表1 不同規(guī)格圓管盤繞方案對比表

結(jié)合表1和圖5可以看出，3種設(shè)計方案中，盤管與液冷板的投影接觸面積和質(zhì)量變化不大。采用方案1時，液冷板的最高溫度和液冷板的平均溫度最低，冷卻效果最好，但是流動阻力高達147.7 kPa；而采用方案2進行盤繞時，液冷板的最高溫度和液冷板的平均溫度略高于方案1，流動阻力下降至34.8 kPa；采用方案3時，盡管液體的流動阻力最小，只有9 kPa，但是液冷板的最高溫度和液冷板的平均溫度大幅高于方案1和方案2，溫度控制和均勻性較差。綜合比較3種方案，方案2冷卻效果和流阻都較適中，因此本文采用了直徑為10 mm的鋁管盤繞作為液冷通道。

1.3 集成加熱系統(tǒng)設(shè)計

當前電池系統(tǒng)采用的加熱方式，大多在電池包外的循環(huán)管路上串接一只過水加熱器。低溫環(huán)境下，啟動循環(huán)水泵和過水加熱器，冷卻介質(zhì)流經(jīng)電池包內(nèi)，通過液冷板傳熱提高模組的溫度。但是這種方案須在電池包外單獨布置一個加熱器件，模組的加熱須通過冷卻介質(zhì)的不斷循環(huán)，電池包外循環(huán)管路、器件同時被加熱至較高溫度，過程中向外界低溫環(huán)境持續(xù)散熱，降低了加熱效率并提高了能耗。

本文中將加熱部件集成設(shè)計在液冷板上，如圖6所示。根據(jù)鋁管在鋁板上的盤繞走向，在兩根相鄰的長直管段中間，近似對稱地布置兩根加熱條，所在位置同時方便加熱條導(dǎo)線的引出。加熱部件采用正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻，將PTC發(fā)熱芯片與絕緣塊間隔排列，上下表面與導(dǎo)電金屬片貼合后，采用絕緣膜進行包裹，再裝進液冷板長方扁腔體內(nèi)，在壓力機上壓緊成型。這一布置的優(yōu)點是加熱部件布置在電池包內(nèi)部，直接通過鋁板向模組傳熱，減少了冷卻介質(zhì)循環(huán)時向外界環(huán)境的散熱，加熱效率較高。

圖6 加熱集成液冷板

2 冷熱集成系統(tǒng)冷卻加熱性能

根據(jù)上述設(shè)計方案裝配了一套電池包，并搭建了液冷測試臺架，如圖7所示，實驗研究了冷熱集成系統(tǒng)的冷卻加熱性能。實驗設(shè)備包括：青島美凱麟BPT2?300?600 電 池 總 成 測 試 系 統(tǒng) ，北 京 凌 工LQMB10K冷水機組，上海百納FR120D分路流量計，江蘇拓米洛TOF?10800EW溫度箱和日置LR8402?21數(shù)據(jù)記錄儀。

圖7 液冷系統(tǒng)冷卻和加熱實驗系統(tǒng)

2.1 高溫環(huán)境冷卻性能

實驗?zāi)M車輛在40℃環(huán)境溫度下，快速充電—高速行駛—快速充電—高速行駛的工況，電池包在環(huán)境艙內(nèi)進行充放電，研究電池液冷系統(tǒng)的冷卻和均溫性能。

首先將電池包連接充放電設(shè)備，并通過管路連接比例閥和冷水機組；然后置于溫度箱中，溫度箱溫度設(shè)置為40℃，靜置12 h以上，直至電池溫度全部達到環(huán)境溫度40℃。同時為了使電池模組在初始段具備一定的溫差，首先開啟3、4兩路比例閥，對3、4分區(qū)的模組單獨進行冷卻，使此兩區(qū)域模組的平均電池溫度降至35℃；而1、2分區(qū)模組的平均電池溫度仍保持在40℃，使電池系統(tǒng)在初始狀態(tài)即存在5℃左右的溫差。

當電池包達到設(shè)置的預(yù)定溫度與溫差后，對電池系統(tǒng)進行快充—大功率放電—快充—大功率放電。并開啟冷水機組，設(shè)定冷水總流量為10 L/min、溫度25℃的冷卻液對電池系統(tǒng)進行冷卻。為了監(jiān)測過程中電池溫度的變化，每個模組在模組兩側(cè)與電芯兩端極耳焊接的匯流排上布置2個溫度采樣點，并通過BMS記錄溫度變化。實驗結(jié)束后，BMS自動計算分區(qū)全部模組的平均電池溫度。BMS根據(jù)分區(qū)的電池平均溫度，自動調(diào)節(jié)各分區(qū)的比例閥開度。各支路流量分配如圖8所示?？梢钥闯?，第1階段快充過程中，由于1、2分區(qū)溫度較高，系統(tǒng)分配的支路流量為3 L/min左右，而低溫3、4區(qū)域的支路流量為1.3 L/min左右。實驗過程各分區(qū)電池平均溫度與進出水溫度變化如圖9所示，在30 min的快充過程中，電池電量從30%充至80%，各分區(qū)電池平均溫度均上升至45℃左右，且分區(qū)電池溫差由初始設(shè)置的5℃逐漸減小，直至為0?？斐溥^程結(jié)束后，各分區(qū)電池平均溫度基本相等，此時BMS再次調(diào)節(jié)比例閥開度，各支路流量均變化至2.5 L/min左右，并且在后續(xù)過程中不再發(fā)生明顯變化，而電池系統(tǒng)持續(xù)經(jīng)歷放電、充電、放電過程中，各分區(qū)電池平均溫度均基本保持一致。

圖8 各分支流量分配隨時間變化

圖9 充放電過程各分區(qū)電池平均溫度變化

上述結(jié)果表明，本文中設(shè)計的液冷系統(tǒng)可以保證電池系統(tǒng)在高倍率的充放電條件下，電池溫度穩(wěn)定維持在45℃以下，滿足車輛要求。另外，當電池系統(tǒng)各分區(qū)電池平均溫度存在較大溫差時，通過系統(tǒng)設(shè)置的自動流量調(diào)節(jié)功能，可以迅速減小各分區(qū)電池間的溫差，并持續(xù)維持電池包溫度均衡。

2.2 低溫環(huán)境加熱性能

為了對比本文設(shè)計的集成加熱與通常采用的電池包PTC外循環(huán)加熱性能，針對兩種方案進行了低溫環(huán)境下的電池系統(tǒng)加熱對比實驗。實驗對象均為本設(shè)計電池包，兩種方案的加熱功率均為3 kW。

本文中設(shè)計的集成加熱方案如下。首先將電池包置于環(huán)境艙內(nèi)，在?20℃溫度下保溫24 h以上，至電池系統(tǒng)全部模組溫度達到?20℃。啟動集成在液冷板上的加熱器，當電池包內(nèi)模組溫度達到可大電流充電溫度時加熱停止。對于PTC外循環(huán)加熱方案，通過管路將電池包與循環(huán)水泵、過水加熱器、水/制冷劑換熱器連接后，置于環(huán)境艙內(nèi)，在?20℃溫度下保溫24 h以上，至電池系統(tǒng)全部模組溫度達到?20℃。啟動過水加熱器和循環(huán)水泵，直至電池包內(nèi)模組溫度達到可大電流充電溫度時加熱停止。

兩種方案下電池模組加熱過程中的平均溫度的時間歷程曲線如圖10所示。可以看出，同樣的加熱功率條件下，將電池模組從?20℃加熱至15℃，集成加熱方案需要用時92.3 min，而電池包外循環(huán)加熱方案用時157.6 min，本方案節(jié)省時間65.3 min，加熱耗能減少了41.4%。另外，對于包內(nèi)加熱出現(xiàn)的電池模組溫差較大的問題，通過控制策略增加對溫差的判別，當電池模組溫差大于設(shè)定值時，即啟動水泵循環(huán)2?5 min，可快速降低電池溫差，實現(xiàn)電池模組均溫。

圖10 集成加熱與PTC外部循環(huán)加熱電池平均溫度隨時間變化曲線

3 結(jié)論

本文中提出一種新型冷熱集成動力電池熱管理系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的冷卻加熱性能進行了實驗研究，主要結(jié)論如下。

（1）采用整根鋁管盤繞與鋁材基板結(jié)合的方式，設(shè)計并制作了嵌管式液冷板，該液冷板具有流道成型無泄漏隱患、表面溫度均勻、輕量化的優(yōu)點；

（2）各冷卻管路入口設(shè)置比例閥調(diào)節(jié)進入分區(qū)的冷卻液流量，動態(tài)適應(yīng)各分區(qū)的冷卻需求，提升了電池包的均溫性能；

（3）集成PTC熱敏電阻加熱系統(tǒng)，實現(xiàn)了分區(qū)加熱，且系統(tǒng)熱損耗低，加熱效率高，相對節(jié)能41.4%；

（4）高溫和低溫環(huán)境下分別研究了該液冷系統(tǒng)的冷卻和加熱性能，結(jié)果表明該新型冷熱集成動力電池熱管理系統(tǒng)滿足電池對溫度和均溫性的要求。