新型动力电池热管理系统设计及性能研究

2022-05-05曾祥兵徐俊超张培根孙正明

汽车工程 2022年4期

曾祥兵，谢堃，张伟，徐俊超，张培根，孙正明

（1.东南大学材料科学与工程学院，江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室，南京 211189；2.奇瑞新能源汽车股份有限公司，芜湖 241000）

前言

随着社会经济的日益发展，能源需求进一步提高，尤其是在“双碳”背景下，新能源技术的呼声越来越高，发展电动汽车已是大势所趋。动力电池作为电动汽车的核心部分，其性能和使用寿命直接决定了电动汽车的性能和成本。锂离子动力电池因寿命长、自放电率低、比功率高、能量密度大和无污染等优点，成为电动车辆主要的选择。但是锂离子电池充放电存在一个最优温度区间，电池充放电时会产生大量的热量，热量累积导致电池温度不断上升。当电池温度升高，超出它的允许工作温度范围时，会导致充放电能力急剧下降，甚至使放电无法完成，为了保证电池的正常工作，需要采取辅助降温措施。冬季时，低温下充电会发生析锂现象，影响电池的性能和寿命，因此需要对电池进行加热。通常在电池系统内的模组底部设置一套液冷板，液冷板通过连接管路与循环泵、热交换器、过水加热器形成一套循环加热冷却系统。当高温电池需要冷却时，启动空调系统和水泵，利用热交换器对冷却介质进行降温，降温后的冷却介质流经电池包内部，与模组进行热量交换，带走电池的热量。当低温电池需要加热时，启动水泵和过水加热器，加热后的冷却介质循环通过液冷板，对电池进行加热。

当前电池厂家采用的液冷板主要有两种结构形式。一种是微通道管，采用铝合金多孔扁管，两端与汇集管钎焊连接。这种结构质量较轻，但自身刚度不高，需要结构件的支撑，才能使扁管压紧模组的底部，以保证良好的导热。另一种是双层冲压板结构，上层为平面铝板，下层为铝板冲压流道结构，上下层铝板通过高温钎焊连接。这种结构的流道设计比较自由，并能很好地适应电池包内不规则的模组排布。

然而，无论是采用微通道管或者冲压板结构，流道成型均需采用钎焊工艺，且焊接面积较大、焊接部位较多，存在一定的泄漏隐患。且由于液冷板布置在电池包内部，一旦液冷板出现冷却液泄漏，可能造成电池包内部短路甚至起火的风险。另外，大部分液冷方案的支路流道流量的分配是固定的，不能根据模组冷却需求灵活调节冷却液的供应，导致分区的冷却速度不一致，增大了电池系统内部温差。

为此，本文中提出了一种新型电池液冷系统的设计方案，基于独立式盘绕铝管嵌入铝材基板结构，设计了新的液冷板，其中，铝板为无焊缝设计，冷却管路采用特殊工艺嵌入冷板上；同时集成了正温度系数（positive temperature coefficient，PTC）热敏模块，以进行内部加热，实现了冷热集成；进一步采用了液冷流量实时分配，使其既能满足电池系统的快速冷却和加热需求，并能根据模组温度灵活调节各分区的冷却液的供应，保证各分区电池模组温度的均匀性。

1 新型冷热集成系统设计方案

1.1 新型冷热集成系统介绍

本文中设计的冷热集成系统如图1所示。系统由循环泵、换热器、比例阀、电池包内液冷流道构成循环回路，并设置集成PTC加热回路。循环泵驱动冷却介质循环流动，冷却介质在电池包内吸收热量，经过换热器释放热量。进电池包的液冷管路分为4路，分别对包内4个分区进行冷却。在电池包外各冷却管进口设置比例调节阀，充放电运行过程中，根据不同分区的换热需求，通过比例阀实时调节冷却介质流量，及时均衡各区域模组之间的温差。当电池温度达到设定阈值＞40℃时，水泵和空调系统开始工作，比例阀全部调至80%开度，对各分区模组进行冷却。当BMS检测到各区域模组平均温度之间的差值达到设定阈值即-−-≥3℃时，高温区域对应比例阀开度增大到100%，低温区域对应比例阀开度减小到60%，其它区域比例阀开度保持原80%不变。当电池管理系统BMS检测到各区域模组平均温度之间的差值达到设定阈值即-−-≤2℃时，所有比例阀开度回调至原开度80%。另外，在冷却板上集成了PTC加热条单独形成加热回路，根据整包温度需求，可通过回路电流调节加热速率。

图1 电池冷热集成系统示意图

根据车辆续航里程要求和给定的包络空间，电池包模组排布示意如图2所示。液冷板安装在模组底部，模组与液冷板之间布置有导热垫，以填充模组与液冷板之间的空隙，保证与模组底面的良好接触，以利于热量的传导。电池包内的模组划分为4个冷却分区，设计相应的液冷板与每个分区的模组相配合。

图2 电池包模组排布示意图

1.2 嵌管式液冷板设计

1.2.1 液冷板基材结构设计

液冷板设计为盘绕铝管嵌入铝材基板的结构。盘绕铝管采用整根铝管弯折成型的挤出管，具备良好的延展性，铝材基板采用挤压成型模一体成型。铝材基板上成型有多个与铝管的外圆相配合的凹槽结构，以及容纳发热芯片的长方扁孔腔体结构，其截面形状如图3所示。铝管与铝材基板通过钎焊结合，构成嵌管式液冷板。

图3 嵌管式液冷板铝材基板结构截面

1.2.2 铝管盘绕设计与液冷散热效果模拟

根据电池包的模组尺寸，单个分区的液冷板尺寸设计成355 mm×1 200 mm。铝管在铝材基板的凹槽内进行盘绕构成嵌管式液冷板。冷却介质温度沿流程不断升高，模组温度沿流道方向也逐渐升高。为此，本文中采取双向流动流场设计，进液管段与出液管段并行布置，以尽可能缩小液冷板表面的温差。

为了保证液冷板和冷却介质之间的传热效果，铝管与铝板之间应有足够的接触传热面积，同时为了降低流阻，须对铝管管长进行控制。本文中选取3种不同直径的铝管进行盘绕设计，由于不同的管径所需的折弯半径不同，故所能布置的盘管长度也不相同。根据铝板尺寸和工艺限制，直径为8、10和12 mm的圆管在铝材基板上可分别布置12、10和8根直管段，各规格圆管盘绕示意见图4。

图4 不同规格铝管盘绕示意图

为对比上述3种盘管方案对应条件下的散热效果和流道阻力，对不同的方案进行了仿真分析。仿真条件如下：环境温度40℃，根据模组发热功率，冷板表面设置均匀热负载，功率为2 369 W/m，冷却介质物性参数按照50%水+50%乙二醇进行设置，冷却介质入口温度为20℃，流量为3 L/min，液冷板与环境进行对流换热。仿真结果的温度场云图如图5所示。可以看出，3种方案中，8和10 mm的盘管，液冷板温度场较为均匀，而12 mm盘管，液冷板温度场均匀性较差，这是由于12 mm盘管方案在液冷板表面可以设置的直管段较少，这一点也可以从表1中看出，直径为12 mm的盘管在铝板表面能够盘绕的长度为8 000 mm，导致散热效果较差。

图5 不同规格铝管盘绕方案液冷板表面温度场

表1 不同规格圆管盘绕方案对比表

结合表1和图5可以看出，3种设计方案中，盘管与液冷板的投影接触面积和质量变化不大。采用方案1时，液冷板的最高温度和液冷板的平均温度最低，冷却效果最好，但是流动阻力高达147.7 kPa；而采用方案2进行盘绕时，液冷板的最高温度和液冷板的平均温度略高于方案1，流动阻力下降至34.8 kPa；采用方案3时，尽管液体的流动阻力最小，只有9 kPa，但是液冷板的最高温度和液冷板的平均温度大幅高于方案1和方案2，温度控制和均匀性较差。综合比较3种方案，方案2冷却效果和流阻都较适中，因此本文采用了直径为10 mm的铝管盘绕作为液冷通道。

1.3 集成加热系统设计

当前电池系统采用的加热方式，大多在电池包外的循环管路上串接一只过水加热器。低温环境下，启动循环水泵和过水加热器，冷却介质流经电池包内，通过液冷板传热提高模组的温度。但是这种方案须在电池包外单独布置一个加热器件，模组的加热须通过冷却介质的不断循环，电池包外循环管路、器件同时被加热至较高温度，过程中向外界低温环境持续散热，降低了加热效率并提高了能耗。

本文中将加热部件集成设计在液冷板上，如图6所示。根据铝管在铝板上的盘绕走向，在两根相邻的长直管段中间，近似对称地布置两根加热条，所在位置同时方便加热条导线的引出。加热部件采用正温度系数PTC热敏电阻，将PTC发热芯片与绝缘块间隔排列，上下表面与导电金属片贴合后，采用绝缘膜进行包裹，再装进液冷板长方扁腔体内，在压力机上压紧成型。这一布置的优点是加热部件布置在电池包内部，直接通过铝板向模组传热，减少了冷却介质循环时向外界环境的散热，加热效率较高。

图6 加热集成液冷板

2 冷热集成系统冷却加热性能

根据上述设计方案装配了一套电池包，并搭建了液冷测试台架，如图7所示，实验研究了冷热集成系统的冷却加热性能。实验设备包括：青岛美凯麟BPT2−300−600 电池总成测试系统，北京凌工LQMB10K冷水机组，上海百纳FR120D分路流量计，江苏拓米洛TOF−10800EW温度箱和日置LR8402−21数据记录仪。

图7 液冷系统冷却和加热实验系统

2.1 高温环境冷却性能

实验模拟车辆在40℃环境温度下，快速充电—高速行驶—快速充电—高速行驶的工况，电池包在环境舱内进行充放电，研究电池液冷系统的冷却和均温性能。

首先将电池包连接充放电设备，并通过管路连接比例阀和冷水机组；然后置于温度箱中，温度箱温度设置为40℃，静置12 h以上，直至电池温度全部达到环境温度40℃。同时为了使电池模组在初始段具备一定的温差，首先开启3、4两路比例阀，对3、4分区的模组单独进行冷却，使此两区域模组的平均电池温度降至35℃；而1、2分区模组的平均电池温度仍保持在40℃，使电池系统在初始状态即存在5℃左右的温差。

当电池包达到设置的预定温度与温差后，对电池系统进行快充—大功率放电—快充—大功率放电。并开启冷水机组，设定冷水总流量为10 L/min、温度25℃的冷却液对电池系统进行冷却。为了监测过程中电池温度的变化，每个模组在模组两侧与电芯两端极耳焊接的汇流排上布置2个温度采样点，并通过BMS记录温度变化。实验结束后，BMS自动计算分区全部模组的平均电池温度。BMS根据分区的电池平均温度，自动调节各分区的比例阀开度。各支路流量分配如图8所示。可以看出，第1阶段快充过程中，由于1、2分区温度较高，系统分配的支路流量为3 L/min左右，而低温3、4区域的支路流量为1.3 L/min左右。实验过程各分区电池平均温度与进出水温度变化如图9所示，在30 min的快充过程中，电池电量从30%充至80%，各分区电池平均温度均上升至45℃左右，且分区电池温差由初始设置的5℃逐渐减小，直至为0。快充过程结束后，各分区电池平均温度基本相等，此时BMS再次调节比例阀开度，各支路流量均变化至2.5 L/min左右，并且在后续过程中不再发生明显变化，而电池系统持续经历放电、充电、放电过程中，各分区电池平均温度均基本保持一致。

图8 各分支流量分配随时间变化

图9 充放电过程各分区电池平均温度变化

上述结果表明，本文中设计的液冷系统可以保证电池系统在高倍率的充放电条件下，电池温度稳定维持在45℃以下，满足车辆要求。另外，当电池系统各分区电池平均温度存在较大温差时，通过系统设置的自动流量调节功能，可以迅速减小各分区电池间的温差，并持续维持电池包温度均衡。

2.2 低温环境加热性能

为了对比本文设计的集成加热与通常采用的电池包PTC外循环加热性能，针对两种方案进行了低温环境下的电池系统加热对比实验。实验对象均为本设计电池包，两种方案的加热功率均为3 kW。

本文中设计的集成加热方案如下。首先将电池包置于环境舱内，在−20℃温度下保温24 h以上，至电池系统全部模组温度达到−20℃。启动集成在液冷板上的加热器，当电池包内模组温度达到可大电流充电温度时加热停止。对于PTC外循环加热方案，通过管路将电池包与循环水泵、过水加热器、水/制冷剂换热器连接后，置于环境舱内，在−20℃温度下保温24 h以上，至电池系统全部模组温度达到−20℃。启动过水加热器和循环水泵，直至电池包内模组温度达到可大电流充电温度时加热停止。

两种方案下电池模组加热过程中的平均温度的时间历程曲线如图10所示。可以看出，同样的加热功率条件下，将电池模组从−20℃加热至15℃，集成加热方案需要用时92.3 min，而电池包外循环加热方案用时157.6 min，本方案节省时间65.3 min，加热耗能减少了41.4%。另外，对于包内加热出现的电池模组温差较大的问题，通过控制策略增加对温差的判别，当电池模组温差大于设定值时，即启动水泵循环2−5 min，可快速降低电池温差，实现电池模组均温。