電動裝載機(jī)動力電池水冷板選型和設(shè)計(jì)

黃遠(yuǎn)偉

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

以柴油為主要燃料的工程機(jī)械，對環(huán)境污染較大，零污染的電動版工程機(jī)械替代傳統(tǒng)燃油版是今后的技術(shù)發(fā)展趨勢。動力電池是支撐工程機(jī)械電動化的核心，電池性能和壽命對溫度非常敏感，其理論最佳工作溫度在25～45℃之間。適宜的工作溫度，能夠減緩電池的老化，發(fā)揮電池的最優(yōu)性能，這需要通過熱管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[1]。

目前動力電池高溫環(huán)境下的散熱方式主要可以分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻。電動裝載機(jī)普遍采用大容量磷酸鐵鋰方包電池，空氣冷卻方式很難勝任，而相變材料冷卻尚處于研究階段，商業(yè)化應(yīng)用不多。液體冷卻以其散熱均溫性能好被廣泛采用，其通過帶有內(nèi)流通道的鋁合金水冷板與電芯表面緊密貼合進(jìn)行換熱。

1 水冷板選型

常見的動力電池水冷板有口琴管式水冷板、板翅式水冷板、沖壓式水冷板、吹脹式水冷板等。

1.1 口琴管式水冷板

口琴管式水冷板具有成本低、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，外形如圖1。其采用和鋁擠壓加工出流道，再與兩端集流管焊接在一起。由進(jìn)出水口和冷板構(gòu)成，防凍液通過冷板進(jìn)水口進(jìn)入冷板，通過冷板區(qū)域與動力電池進(jìn)行換熱后，從出水口流出。其流道單一，橫截面似口琴狀（圖2）。由于整體接觸面積小、管道壁厚薄約0.5mm，總厚約5mm，導(dǎo)致它的換熱效果一般且承重能力較差。常規(guī)最大尺寸約0.4m×1.2m，尺寸太大容易發(fā)生變形。選用時(shí)需做好結(jié)構(gòu)防護(hù)，放置減震膠墊。

圖1 口琴管式水冷板

圖2 口琴管流道橫截面

1.2 板翅式水冷板

板翅式水冷板由復(fù)合板、翅片、封條組成，總厚約9mm（圖3）。在相鄰兩復(fù)合板間放置翅片以及封條組成一夾層，即水流動的通道。復(fù)合板在母體金屬表面覆蓋有一層釬料合金，在釬焊時(shí)合金熔化而使翅片、封條與復(fù)合板焊接成一體。其中的翅片是鋁板翅式換熱器的基本元件，傳熱過程主要通過翅片熱傳導(dǎo)及翅片與流體之間的對流傳熱來完成。翅片的主要作用是擴(kuò)大傳熱面積，提高換熱器的緊湊性，提高傳熱效率，兼做隔板的支撐，提高換熱器的承壓能力。翅片的種類和型式多種多樣，常用的形式有鋸齒型、多孔型、平直型、波紋型等，翅片節(jié)距4～10mm。封條在每層的四周，其作用是把介質(zhì)與外界隔開。

圖3 板翅式水冷板

板翅式水冷板具有可靠性好、承重能力強(qiáng)、表面平整度高、換熱效果好等優(yōu)點(diǎn)，但由于其厚度較厚，因此成本高、重量重。但對工程機(jī)械振動大的惡劣工況適應(yīng)性好。

1.3 沖壓式水冷板

沖壓式水冷板由上下2 塊鋁合金板組合釬焊而成，總厚約7mm。上板為大平板，下板依靠壓力機(jī)和模具對鋁材進(jìn)行沖壓使之產(chǎn)生塑性變形形成流道。為提高換熱效以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，下板還可以沖出擾流柱和凸臺。其流道可靈活設(shè)計(jì)、具有接觸面積大、換熱效果好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。但由于其需要開沖壓模，因此成本較高，且對平整度有要求。前期產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證階段可開沖壓軟模，后期產(chǎn)品成熟后可開硬模，在年裝機(jī)量大的產(chǎn)品上投入有成本優(yōu)勢。

1.4 吹脹式水冷板

吹脹式水冷板也是由上下2 塊鋁合板組合釬焊而成。上板為大平板，下板設(shè)置有吹脹成型的流道。其流道成型過渡圓角R值較大，通過高壓氣體壓迫工件板料貼合模型面后使產(chǎn)品成型。其模具結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)周期短，量產(chǎn)模具費(fèi)僅為沖壓模具成本1/3，還具有原材料利用率高，換熱效果好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。但由于其材質(zhì)偏軟，因此在耐壓與強(qiáng)度方面存在較大短板。選用時(shí)需做好結(jié)構(gòu)防護(hù)，放置減震膠墊。

水冷板是整個(gè)電池包液冷系統(tǒng)關(guān)鍵部件，冷板選型必須要保證如下前提條件：①其水阻必須滿足設(shè)計(jì)需求；②其結(jié)構(gòu)必須保證冷卻液流動的通暢與均勻；③有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、密封性能。表1 給出不同形式水冷板對比，供選型時(shí)參考。

表1 不同形式水冷板對比

2 水冷板的設(shè)計(jì)

2.1 冷板散熱能力計(jì)算

冷板散熱能力計(jì)算主要依據(jù)如下2 個(gè)方程。

1）熱平衡方程Q=MCpdT，反映單一流體的熱量影響關(guān)系。其中，Q為冷卻液帶走的熱量，M為冷卻液質(zhì)量流量，Cp為冷卻液比熱容，dT為冷卻液溫升。

2）傳熱量方程Q=hAΔTm，反映從冷板表面到冷卻液的對流傳熱關(guān)系。其中，Q為冷板傳遞給冷卻液的熱量，h為對流傳熱系數(shù)；A冷板和電芯的接觸面積，ΔTm為冷板和冷卻液的平均傳熱溫差。

電池的散熱量需求Q可從供應(yīng)商的處獲取，冷卻液溫升dT一般控制在5℃以內(nèi)，平均傳熱溫差ΔTm一般10℃左右。根據(jù)Q=MCpdT可計(jì)算出的冷卻液流量需求，冷卻液的流量越大，單位時(shí)間內(nèi)帶走的熱量越多、溫差越小，但對應(yīng)水泵的功率大，能耗高，成本更高。根據(jù)Q=hAΔTm可計(jì)算出的冷板散熱面積A需求，面積越大散熱能力越好，但冷板占據(jù)的布置空間也越大，成本越高。

2.2 冷卻液流道設(shè)計(jì)

流道作為冷板內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，可以起到引導(dǎo)冷卻液流動路徑的作用，其設(shè)計(jì)好壞關(guān)乎著冷板傳熱效果以及系統(tǒng)的能耗。流道排布在滿足工藝條件下，間距盡量小、設(shè)置更多的循環(huán)回路，使電池受熱或降溫均勻、溫差小。在布置空間滿足情況下，流道優(yōu)先選擇雙回路，使冷熱同時(shí)存在，降低溫差。常用水冷板的流道有：平直型、S 型、U 型等。實(shí)際應(yīng)用中，流道可以是幾種流道的綜合，需根據(jù)實(shí)際情況綜合評估，并結(jié)合仿真、試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化。

此外，還應(yīng)注意在冷板流道底部設(shè)計(jì)隔熱保溫材料，目的在于當(dāng)電芯發(fā)生熱失控時(shí)能起隔熱作用，抑制熱擴(kuò)散；在電芯起火時(shí)，延緩火勢蔓延，增加逃生時(shí)間。常見的保溫材料有泡棉、絨毛毯、二氧化硅氣凝膠、發(fā)泡硅膠、成瓷隔熱片、石墨烯等[2]。

2.3 電池冷板CFD仿真

設(shè)計(jì)中還需同步借助流體仿真來輔助設(shè)計(jì)，仿真時(shí)需先對產(chǎn)品3D 數(shù)模進(jìn)行必要的簡化，再對數(shù)模進(jìn)行劃分網(wǎng)格，然后對系統(tǒng)施加一定的邊界條件和選取適合的計(jì)算模型后，再交由仿真軟件進(jìn)行計(jì)算[3]。需關(guān)注壓差（水阻）及流量（流速）分布兩個(gè)方面。

圖4 是我公司某款冷板水壓力云圖，冷板進(jìn)出水口壓降1 503Pa，流道內(nèi)部壓力變化均勻，壓力突變主要在進(jìn)出口。如需優(yōu)化流阻，可優(yōu)化進(jìn)出口處：增加管徑、過渡圓角等。

圖4 冷板水壓力云圖

圖5 是冷板的水流速度云圖，流道內(nèi)部主要流速0.2m/s，各通道流速基本均勻，但速度較小，流道可進(jìn)一步優(yōu)化，可適當(dāng)減小流道截面，提高流速，提高冷卻效果。

圖5 冷板水流速度云圖

2.4 溫度控制策略的制定

在裝載機(jī)上實(shí)現(xiàn)冷板對電池低溫加熱，高溫冷卻功能，還需設(shè)置溫度控制策略。

1）當(dāng)Tmin＜X1時(shí)，需對電池進(jìn)行加熱。

2）當(dāng)Tmin＞X1，Tmax＜X2時(shí)，允許電池正常充放電。

3）X2＜Tmax＜X3時(shí)，允許電池正常充放電，開啟冷卻。

4）Tmax＞X4時(shí)，停止電池充放電。

其中，Tmin電池組中電芯的最低溫度，Tmax電池組中電芯的最高溫度。X1、X2、X3、X4為整車控制器溫度策略溫度閾值。

3 水冷板試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證水冷板的性能與可靠性，需對水冷板進(jìn)行臺架試驗(yàn)驗(yàn)證。臺架測試方法可參照CSAE 117-2019 《動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能（臺架）試驗(yàn)方法》進(jìn)行，該標(biāo)準(zhǔn)從熱管理系統(tǒng)基本性能的測試方法出發(fā)，在基本功能（包括系統(tǒng)阻力、密封性能）、冷卻性能（包括高溫快充、高溫工況放電、常溫冷卻）、加熱性能（低溫充電、低溫放電）、保溫性能、均溫性能五大方面、十項(xiàng)關(guān)鍵項(xiàng)目提出了詳細(xì)的測試方法。如各項(xiàng)臺架實(shí)測參數(shù)均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，說明設(shè)計(jì)方案可行，否則需返回改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

最后將動力電池冷板進(jìn)行整車搭載，進(jìn)行裝載機(jī)真實(shí)作業(yè)工況試驗(yàn)測試，以驗(yàn)證動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)及其溫度控制策略閾值設(shè)定的有效性、可靠性等。

4 結(jié)語

面對嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)汽車行業(yè)已經(jīng)開始向新能源方向轉(zhuǎn)型，工程機(jī)械電動化也是未來的發(fā)展趨勢。本文通過對新能源裝載機(jī)電池水冷板結(jié)構(gòu)選型研究，闡述了冷板散熱能力計(jì)算方法、流道設(shè)計(jì)要點(diǎn)、仿真需關(guān)注的指標(biāo)及試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目，并提出相關(guān)的優(yōu)化思路，為電動工程機(jī)械電池冷板選型及設(shè)計(jì)提供方向。