混合动力轿车电池包液冷系统设计

赵久志，宋军，张宝鑫，王诗铭，武文杰（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心 新能源汽车研究院，安徽 合肥 230601）



混合动力轿车电池包液冷系统设计

赵久志，宋军，张宝鑫，王诗铭，武文杰
（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心 新能源汽车研究院，安徽 合肥 230601）

高效的热管理系统对控制电池组工作温度范围，提升续驶里程及改善安全性起到至关重要的作用。本文提出了一种混合动力轿车电池液冷方案，基于整车开发需求，明确热管理系统性能目标及制冷与加热部件开启阀值。利用三维计算流体动力学数值计算建立整个液冷板模型，通过数值分析获取液冷板内速度与压力等关键参数分布，最后对电池液冷系统进行了试验测试。结果表明，该液冷系统设计方案能够满足该混合动力轿车的行驶要求，传热效率高，能够有效控制温差，保证电池包工作处在最优温度范围内。

液冷；混合动力；电池包；冷却；数值模拟

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.009

CLC NO.: U469.7Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-25-04

电动汽车在使用过程中“零排放”和高效率的特点日益突显其对于减少环境污染及石油依赖度的重要性，世界各国及主要汽车集团均提出了一系列振兴电动汽车产业的规划[1]。锂离子电池因具有功率密度高、开路电压高、自放电低、无记忆、无污染和循环寿命长等优点而被广泛应用于电动汽车上。由于各种电化学变化和物理变化都在锂离子电池包充放电过程中发生，会产生大量热量，如果这些热量在车辆行驶过程中得不到散发，则会引起电池包温度分布不均，最终导致电池组使用寿命降低[2][3]。

1、锂离子电池热特性

电池在充放电过程中都会发生一系列化学反应，产生热反应。锂离子电池包的主要产热反应包括：正极分解、电解液分解、负极与电解液的反应、固体电解质界面膜的分解和负极与粘合剂的反应[4]。由于电池内阻的存在，电流通过时，会产生热量。低温锂离子电池主要以电阻产生的焦耳热为主，这些放热反应是导致电池不安全的因素。电解液的热安全性也会直接影响着整个锂电池的电池动力体系的安全性能。实际运行过程中，由于动力系统需要锂离子电池具备大容量与大倍率放电等特点，高温增加了运行风险，所以，降低锂离子电池工作温度，对提升电池性能起到至关重要的作用[2]。

2、液体冷却散热系统

液体冷却在一般工况下，采用空气介质冷却即可满足要求，但在复杂工况下，液体冷却需要更有效地散热介质才能达到电池包的散热要求。传热介质和电池模组之间进行传热的速率主要取决于液体的热导率、粘度、密度、流动速率及接触热阻等。在相同的流速下，空气的传热速率远低于直接接触式流体，这是因为液体边界层薄，导热率高。液冷方式的主要优点有：与电池壁面之间换热系数高，冷却、加热速度快且体积较小。

主要缺点有：存在漏液的可能、重量相对较大、维修和保养复杂，结构相对复杂。实验结果表明对于并联型混合动力车，空气冷却是满足要求的；而纯电动汽车和串联式混合动力车，液体冷却效果更好[5]。

3、电池包液冷系统设计

基于整车对电池包需求，提出电池包热管理系统性能目标，如下表1所示。

表1　热管理性能目标

本文主要介绍一种混合动力液冷电池包，在整车空调系统基础之上，通过并联一个回路实现对电池包进行冷却，电池液冷系统主要是由电池包内部液冷管，膨胀水壶，热交换器，水加热器，水泵及管路等部件组成，其中当环境温度较低时，需要对电池包进行冷却，通过水加热器加热冷却液，利用水泵作为驱动部件，实现电池包低温加热功能；当环境温度较高时，利用水泵驱动冷却液对电池组进行冷却；当电池包温度持续上升时，此时开启热交换器，能够快速对电池包进行冷却，电池液冷系统原理图如下图1所示。

基于热管理系统性能目标要求，识别不同环境温度下电池包冷却及加热开启阀值，如下图2所示。当环境温度低于-40℃以下或者环境温度高于55℃，电池包均不能工作。

电池包内部主要由8个1并12串模组串联而成，电池包关键参数如图3所示，液冷板布置在电池模组底部，每块液冷板上部设计有导热垫，导热垫能够确保模组与液冷板底部接触良好，能够及时将热量带出，电池包内部布置方式如图4所示。

利用Star-ccm+软件进行模型导入，建立的模型如下图5所示，电池液冷板模型主要由液冷板与液冷管路组成。

根据建立的液冷板几何模型，使用六面体网格及局部加密网格，划分出高质量的网格。利用液冷板稳态分析结果，从图6可以看出液冷板内部速度分配均匀；从图7可以看先液冷板压降为7.9KPa，系统压力较小。

从图6、图7所示的液冷板速度及压力分布云图可以发现，液冷管设计合理，满足需求。

4、液冷系统试验验证

通过搭建液冷系统台架，如图8所示，验证电池包内部液冷水道设计合理性及液冷系统的初步性能，本文主要从以下三个方面加以验证，常温加热、高温开启水泵冷却及开启热交换器。

4.1常温加热

水泵流量为10L/min，水加热器功率为950W，环境温度为14℃，对电池包进行加热，观察电池包在常温状态下，电池包内部温度分布情况。

从图9可以看出，电池起始温度为最低为15℃，最高为16℃，试验结束电池温度为最低位32℃，最高位36℃，最小温升 16℃，温差 4℃；进水管与出水管温度分别为44℃/45℃，温差为1℃；从图10可以看出，常温加热时，水加热器表面壳体温度为15℃，水泵表面温度同样为15℃。

4.2高温冷却-水泵开启

水泵流量为10L/min，水泵功率为90W，环境温度为14℃，电池包放电倍率为1C即为50A，观察电池包在常温状态下，电池包内部温度分布情况。

从图12可以看出，电池起始温度为最低为31℃，最高位34℃，试验结束为最低为31℃，最高位33℃，温差为2℃，试验结果表明只开水泵能够起到一定冷却作用。

4.3高温冷却-热交换器开启

水泵流量为10L/min，水泵功率为90W，环境温度为13℃，电池包放电倍率为1C即为50A，观察电池包在常温状态下，电池包内部温度分布情况。

从图13可以看出，电池起始温度最低为32℃，最高为35℃，试验结束电池温度最低为 21℃，电池最高温度为 23℃，温差为2℃，热交换器开启能够将电池温度控制在所需范围之内；从图14可以看出，热交换器表面温度最低为10.2℃；从图15可以看出，模组表面塑料件的温度高于电池单体极耳位置。

5、结论

（1）液冷系统效率高，能够快速对电池组进行加热及冷却。

（2）通过CFD分析，能够指导电池包水道设计，能够控制电池包温差。

（3）开启水泵能够有效减缓电池包内部温度上升。

（4）开启热交换器能够快速对电池包进行冷却。

[1]李斌,常国峰,林春景,许思传.车用动力锂电池产热机理研究现状[J].电源技术，2014(2)：378-381.

[2]陈燕虹,吴伟静,刘宏伟等.纯电动汽车电池箱的热特性[J].吉林大学学报,2014(7)：925-926.

[3]夏顺礼,秦李伟,赵久志等.某纯电动车型电池热管理系统设计分析与验证[J].汽车工程学报,2011:5.

[4]BANDHAUER T M; GAR1MELLA S; FULLER T F A critical reviews in electrochemical and solid-state science and technology 2011(3).

[5]陈果 闫仕伟 黄一峄等.纯电动汽车电池热管理风冷与液冷[J].汽车与配件,2014(6)：40-42.

A Hybrid Car Battery Thermal Management of Liquid Cooling System Design

Zhao Jiuzhi,Song Jun,Zhang Baoxin,Wang Shiming,Wu Wenjie
(New energy vehicle academy,Technical Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd,Anhui Hefei 230601)

Efficient thermal management system has a crucial rule in controlling the temperature range of the battery pack,enhancing miles and improving safety.This paper describes the liquid cooling system design of hybrid vehicles,based on the demand of vehicle development,it makes the target of thermal management system and the heating and cooling part opening threshold clear.CFD simulation software is used to build the liquid cooling plate simulation model.Using CFD simulation software establish the battery pack simulation model ,Through this method,the key parameters such as the speed and pressure of the liquid cooling plate,then we test the battery cooling system.Results show that the liquid cooling system can meet the requirements of the hybrid car,high heat transfer efficiency,can effectively control the temperature to ensure battery work in the optimal range.

Liquid; hybrid; cooling; numerical simulation

U469.7

A

1671-7988（2016）08-25-04

赵久志（1983-），男，工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，新能源汽车研究院。主要从事电动汽车电池系统的设计研究。