电动装载机动力电池水冷板选型和设计

2022-11-16黄远伟

建筑机械化 2022年11期

黄远伟

（广西柳工机械股份有限公司，广西柳州 545007）

以柴油为主要燃料的工程机械，对环境污染较大，零污染的电动版工程机械替代传统燃油版是今后的技术发展趋势。动力电池是支撑工程机械电动化的核心，电池性能和寿命对温度非常敏感，其理论最佳工作温度在25～45℃之间。适宜的工作温度，能够减缓电池的老化，发挥电池的最优性能，这需要通过热管理系统实现[1]。

目前动力电池高温环境下的散热方式主要可以分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却。电动装载机普遍采用大容量磷酸铁锂方包电池，空气冷却方式很难胜任，而相变材料冷却尚处于研究阶段，商业化应用不多。液体冷却以其散热均温性能好被广泛采用，其通过带有内流通道的铝合金水冷板与电芯表面紧密贴合进行换热。

1 水冷板选型

常见的动力电池水冷板有口琴管式水冷板、板翅式水冷板、冲压式水冷板、吹胀式水冷板等。

1.1 口琴管式水冷板

口琴管式水冷板具有成本低、重量轻、结构简单、生产效率高等优点，外形如图1。其采用和铝挤压加工出流道，再与两端集流管焊接在一起。由进出水口和冷板构成，防冻液通过冷板进水口进入冷板，通过冷板区域与动力电池进行换热后，从出水口流出。其流道单一，横截面似口琴状（图2）。由于整体接触面积小、管道壁厚薄约0.5mm，总厚约5mm，导致它的换热效果一般且承重能力较差。常规最大尺寸约0.4m×1.2m，尺寸太大容易发生变形。选用时需做好结构防护，放置减震胶垫。

图1 口琴管式水冷板

图2 口琴管流道横截面

1.2 板翅式水冷板

板翅式水冷板由复合板、翅片、封条组成，总厚约9mm（图3）。在相邻两复合板间放置翅片以及封条组成一夹层，即水流动的通道。复合板在母体金属表面覆盖有一层钎料合金，在钎焊时合金熔化而使翅片、封条与复合板焊接成一体。其中的翅片是铝板翅式换热器的基本元件，传热过程主要通过翅片热传导及翅片与流体之间的对流传热来完成。翅片的主要作用是扩大传热面积，提高换热器的紧凑性，提高传热效率，兼做隔板的支撑，提高换热器的承压能力。翅片的种类和型式多种多样，常用的形式有锯齿型、多孔型、平直型、波纹型等，翅片节距4～10mm。封条在每层的四周，其作用是把介质与外界隔开。

图3 板翅式水冷板

板翅式水冷板具有可靠性好、承重能力强、表面平整度高、换热效果好等优点，但由于其厚度较厚，因此成本高、重量重。但对工程机械振动大的恶劣工况适应性好。

1.3 冲压式水冷板

冲压式水冷板由上下2 块铝合金板组合钎焊而成，总厚约7mm。上板为大平板，下板依靠压力机和模具对铝材进行冲压使之产生塑性变形形成流道。为提高换热效以及结构强度，下板还可以冲出扰流柱和凸台。其流道可灵活设计、具有接触面积大、换热效果好、生产效率高等优点。但由于其需要开冲压模，因此成本较高，且对平整度有要求。前期产品试验验证阶段可开冲压软模，后期产品成熟后可开硬模，在年装机量大的产品上投入有成本优势。

1.4 吹胀式水冷板

吹胀式水冷板也是由上下2 块铝合板组合钎焊而成。上板为大平板，下板设置有吹胀成型的流道。其流道成型过渡圆角R值较大，通过高压气体压迫工件板料贴合模型面后使产品成型。其模具结构简单，开发周期短，量产模具费仅为冲压模具成本1/3，还具有原材料利用率高，换热效果好、生产效率高等优点。但由于其材质偏软，因此在耐压与强度方面存在较大短板。选用时需做好结构防护，放置减震胶垫。

水冷板是整个电池包液冷系统关键部件，冷板选型必须要保证如下前提条件：①其水阻必须满足设计需求；②其结构必须保证冷却液流动的通畅与均匀；③有足够的机械强度、密封性能。表1 给出不同形式水冷板对比，供选型时参考。

表1 不同形式水冷板对比

2 水冷板的设计

2.1 冷板散热能力计算

冷板散热能力计算主要依据如下2 个方程。

1）热平衡方程Q=MCpdT，反映单一流体的热量影响关系。其中，Q为冷却液带走的热量，M为冷却液质量流量，Cp为冷却液比热容，dT为冷却液温升。

2）传热量方程Q=hAΔTm，反映从冷板表面到冷却液的对流传热关系。其中，Q为冷板传递给冷却液的热量，h为对流传热系数；A冷板和电芯的接触面积，ΔTm为冷板和冷却液的平均传热温差。

电池的散热量需求Q可从供应商的处获取，冷却液温升dT一般控制在5℃以内，平均传热温差ΔTm一般10℃左右。根据Q=MCpdT可计算出的冷却液流量需求，冷却液的流量越大，单位时间内带走的热量越多、温差越小，但对应水泵的功率大，能耗高，成本更高。根据Q=hAΔTm可计算出的冷板散热面积A需求，面积越大散热能力越好，但冷板占据的布置空间也越大，成本越高。

2.2 冷却液流道设计

流道作为冷板内部的结构，可以起到引导冷却液流动路径的作用，其设计好坏关乎着冷板传热效果以及系统的能耗。流道排布在满足工艺条件下，间距尽量小、设置更多的循环回路，使电池受热或降温均匀、温差小。在布置空间满足情况下，流道优先选择双回路，使冷热同时存在，降低温差。常用水冷板的流道有：平直型、S 型、U 型等。实际应用中，流道可以是几种流道的综合，需根据实际情况综合评估，并结合仿真、试验数据进一步优化。

此外，还应注意在冷板流道底部设计隔热保温材料，目的在于当电芯发生热失控时能起隔热作用，抑制热扩散；在电芯起火时，延缓火势蔓延，增加逃生时间。常见的保温材料有泡棉、绒毛毯、二氧化硅气凝胶、发泡硅胶、成瓷隔热片、石墨烯等[2]。

2.3 电池冷板CFD仿真

设计中还需同步借助流体仿真来辅助设计，仿真时需先对产品3D 数模进行必要的简化，再对数模进行划分网格，然后对系统施加一定的边界条件和选取适合的计算模型后，再交由仿真软件进行计算[3]。需关注压差（水阻）及流量（流速）分布两个方面。

图4 是我公司某款冷板水压力云图，冷板进出水口压降1 503Pa，流道内部压力变化均匀，压力突变主要在进出口。如需优化流阻，可优化进出口处：增加管径、过渡圆角等。

图4 冷板水压力云图

图5 是冷板的水流速度云图，流道内部主要流速0.2m/s，各通道流速基本均匀，但速度较小，流道可进一步优化，可适当减小流道截面，提高流速，提高冷却效果。

图5 冷板水流速度云图

2.4 温度控制策略的制定

在装载机上实现冷板对电池低温加热，高温冷却功能，还需设置温度控制策略。

1）当Tmin＜X1时，需对电池进行加热。

2）当Tmin＞X1，Tmax＜X2时，允许电池正常充放电。

3）X2＜Tmax＜X3时，允许电池正常充放电，开启冷却。

4）Tmax＞X4时，停止电池充放电。

其中，Tmin电池组中电芯的最低温度，Tmax电池组中电芯的最高温度。X1、X2、X3、X4为整车控制器温度策略温度阈值。

3 水冷板试验验证

为验证水冷板的性能与可靠性，需对水冷板进行台架试验验证。台架测试方法可参照CSAE 117-2019 《动力电池热管理系统性能（台架）试验方法》进行，该标准从热管理系统基本性能的测试方法出发，在基本功能（包括系统阻力、密封性能）、冷却性能（包括高温快充、高温工况放电、常温冷却）、加热性能（低温充电、低温放电）、保温性能、均温性能五大方面、十项关键项目提出了详细的测试方法。如各项台架实测参数均在设计要求范围内，说明设计方案可行，否则需返回改进设计方案。

最后将动力电池冷板进行整车搭载，进行装载机真实作业工况试验测试，以验证动力电池热管理系统及其温度控制策略阈值设定的有效性、可靠性等。