许炳 , 赵荣超
(1.广汽埃安新能源汽车有限公司，广东广州 511434；
2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640)
电池包是电动汽车的动力源。电池包性能会影响整车续航里程和安全性。在低温环境下，电池包充放电性能将会显著下降，导致续航里程减少。电池包热管理系统具备主动或被动改善电池工作温度环境条件的功能，可以改善低温环境下续航里程不足问题[1]。研究改进动力电池包热管理系统，对推动新能源汽车发展具有重要意义[2]。
电池热管理系统主要作用是高温下散热，低温下加热或者减少散热。散热主要有四种冷却方式，包括空气自然冷却、强制通风冷却、管道液体冷却及相变材料冷却。其中管道液体冷却采用流道式液冷板，它有较高冷却效率和较低制造成本的特点，为当前电池包采用的主流散热方式。下文将液体冷却简称为液冷，液体流道式冷却板简称为液冷板。
电动汽车用电池包的液冷板，流道大多采用“口琴管”结构。其存在两方面缺点：其一是均温性较差，因为流道方向单一，液冷板与电池接触面积小，热阻较大，造成电芯内部温差大，在大电流充放电及低温加热时，对电池性能损害作用大；
其二是这种流道结构存在较高的漏液风险，因为口琴管液冷板安装在电池包内部，无法做到干湿环境隔离，如果冷却流道密封出现问题，冷却液会泄露，冷却液能造成模组电路短路，会引发热失控事故。安装在内部的液冷板会占用电池包有效空间，减少用于电芯安装的空间，使电池包能量减少，缩短电动车续航里程。
针对“口琴管”结构液冷板存在的问题，改进CTP(cell to Pack)动力电池包的液冷板流道设计，建立三种不同流道结构的液冷板模型。通过流-热耦合仿真方法研究了改进的“凸包”、“纵向”和“横向”流道的三种液冷板结构对CTP 动力电池包低温加热及驱动耐久冷却性能的影响和液冷板结构对动力电池包低温加热性能的影响，然后进行台架实验，最后结合仿真及实验结果确定了合理的冷却板结构参数。
液冷板冷却传热模型主要包括流道流体流动控制方程及电芯与环境温度的热交换两个部分[3]。
1.1 流道流体流动控制方程
任何流体流动时传质传热过程，均应符合质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[4]。液冷板流道中流场控制方程见式(1)～式(3)。
质量守恒定律，即流体连续方程：
动量守恒定律，即N-S 方程：
能量守恒定律为：
式中：∇为拉普拉斯算子；
V为速度矢量；
p为压力，Pa；
ρ为冷却液密度，kg/m3；
Cp为冷却液压力比热熔，J/(kg·K)；
λ为冷却液导热系数，W/(m·K)；
μ为冷却液动力黏度系数；
E为总能量，J；
u、v和w分别为X、Y和Z方向的速度；
t为时间，s。
1.2 电芯传热
电芯内部热量传递方式可分为热传导、热辐射和热对流等三种方式。通过热辐射传导的热量与另外两种方式相比，在总传热量中占比很小。为简化传热模型，通常只考虑热传导和热对流。电芯的产热过程遵守热量守恒方程：
式中：Qw为电芯总热量；
Qe为电芯和周围环境发生对流换热的热量；
Qa为电芯本身吸收的热量，这部分热量表现为电芯的温度变化ΔT。
热传导是指电芯内部产生的热量依靠微观粒子热运动向电池壁面传递，该过程遵守傅里叶定律：
式中：q1为热传导过程中的热流密度，W/m2；
Kn为n向(电池壁面的法线方向)导热系数，W/(m·K)；
∂T∂n为沿n方向的温度梯度，K/m；
“-”为热量传递指向温度降低的方向。
热对流是指传导到电芯表面的热量通过环境中流体对流作用来交换热量，它符合牛顿冷却方程：
式中：q2为热流密度，W/m2；
hf为对流换热系数，W/(m2·K)；
TS为电芯表面温度，K；
TB为电芯周围流体温度，K。
由电芯生热机理可知，在电芯环境处于常温时，电芯能及时将自身的热量释放出去。但在外界环境变化时，会导致电芯性能改变，其自身生热同样发生变化[5]。
电芯熵热系数对高倍率充放电影响不是很大，只会影响电芯传热过程的温度变化，可以忽略，这为简化热模型提供了条件。
2.1 几何模型
通常，热仿真模型是建立在几何模型基础上，然后将模型移至热仿真软件中，加载赋值热传导模式及参数，进行热仿真计算和分析。
液冷板由上盖平板和具有流道结构的下盖板等两部分组成，其流道密闭耐压实验需满足2.0×105Pa 以上压力要求。假设流道截面是矩形，流道过宽，其耐受压力值变小，与电芯接触的上盖平板的散热贴合面将发生鼓胀，这会影响传热效果和结构安全。依据设计经验，液冷板流道宽度不宜超过20 mm，实际应用时还会留有耐压冗余；
流道高度超过4 mm，液冷板的上盖板过薄，这会影响流道的爆破压力，损害液冷板安全及可靠性。
电池包液冷板多为铝板，流道有“凸包”、“纵向”和“横向”等三种不同结构方式。这三种结构液冷板见图1～图3。三种流道结构，其流道均设置为宽20 mm，高4 mm，上下盖板厚度1.0 mm。进行三维建模及热仿真分析。图4 为CTP 动力电池包示意图。
图1 “凸包”流道液冷板三维模型
图2 “纵向”流道液冷板三维模型
图3 “横向”流道液冷板三维模型
图4 CTP动力电池包示意图
2.2 网格划分
在CFD 分析软件(STAR-CCM+)中进行网格划分，面网格划分应保证拓扑几何不失真，数量为1 063 万个。在体网格划分中，冷却液采用多面体加棱形边界层网格，其他部件采用多面体网格，数量为813 万个。冷却液边界层为2 层，第一层厚度0.05 mm，总厚度0.2 mm。
2.3 模型参数与边界条件
电池包必须通过低温加热及驱动耐久实验，这是整车应用时比较苛刻的工况，能够真实呈现出液冷板热管理效能及极限能力。电池包进行仿真时模拟了这两种工况。电池包为CTP(cell to pack)结构，共有116 只单体电池串联组成。表1 为仿真时电池包的基本数据。表2 和表3 为仿真时初始边界条件。图5为电芯厂提供的驱动耐久工况下电池发热量数据。
表1 电池包基本信息
表2 低温加热仿真边界条件
表3 驱动耐久仿真边界条件
图5 驱动耐久工况下电池的发热量
表4 为电池包内各部件热物性参数及边界条件，电池包内为自然对流散热，各表面对流换热系数通常按5 W/(m2·K)设置，边界换热温度按环境温度设置。
表4 热物性参数
3.1 低温加热工况
3.1.1 “凸包”液冷板热仿真
图6 为“凸包”液冷板、电池包的温度场分布情况。由图6(a)可知，此时电池包最高温度为18.6 ℃，出现在M1 区，M1区是模组进水端；
最低温度为5 ℃，出现在M4 区，M4 区是模组出水端。电池包四个分区最大温差为13.6 ℃。
由图6(b)可知，液冷板最高温度为40 ℃，出现在进水口处，最低温度为22 ℃，位于出水口处。冷却液温度随着液冷板内流动路径的增长而逐渐降低，其最大温差为18 ℃。
图6 “凸包”液冷板及电池包温度场分布
3.1.2 “纵向”液冷板热仿真
图7 为“纵向”液冷板及电池包温度场分布情况。由图7(a)可知，电池包最高温度为22 ℃，与最低温度5 ℃相比，温差为17 ℃。
由图7(b)可知，液冷板的最高温度为40 ℃，最低温度为21.2 ℃，分别出现在进水口处和出水口处，温差18.8 ℃。
图7 “纵向”液冷板及电池包温度场分布
3.1.3 “横向”液冷板热仿真
图8 为“横向”液冷板及电池包温度场分布情况。由图8(a)可知，电池包最高温度14.2 ℃，与最低温度5 ℃之间相差9.2 ℃。
由图8(b)可知，液冷板最高温度为40 ℃，最低温度为28 ℃，分别出现在进水口处和出水口处，温差12 ℃。
3.2 驱动耐久工况
3.2.1 “凸包”液冷板热仿真
图9 为“凸包”液冷板及电池包温度场分布情况。由图9(a)可知，电池包最低温度34.3 ℃出现在M1 区，M1 是模组进水端；
最高温度36.6 ℃出现在M4 区，M4 是模组出水端。电池包温差为2.3 ℃。
图9 “凸包”液冷板及电池包温度场分布
由图9(b)可知，液冷板最低温度为25.0 ℃，出现在进水口处；
最高温度为30.3 ℃，出现在出水口处。随着液冷板内流动路径的增长，冷却液温度逐渐升高，温差为5.3 ℃。
3.2.2 “纵向”液冷板热仿真
图10 为“纵向”液冷板及电池包温度场分布情况。由图10(a)可知，此时电池包最低温度34.1 ℃，与最高温度37.2 ℃之间相差3.1 ℃。
由图10(b)可知，液冷板最低温度为25 ℃，最高温度为31.5 ℃，分别出现在进水口处和出水口处，温差6.5 ℃。
图10 “纵向”液冷板及电池包温度场分布
3.2.3 “横向”液冷板热仿真
图11 为“横向”液冷板及电池包温度场分布情况。由图11(a)可知，电池包最低温度为34.6 ℃，与最高温度36.1 ℃相差1.5 ℃。
由图11(b)可知，液冷板最低温度为25 ℃，最高温度为29 ℃，分别出现在进水口处和出水口处。随着流动路径的增长，冷却液温度不断升高，温差4.0 ℃。
图11 “横向”液冷板及电池包温度场分布
3.3 热仿真结果分析
低温加热工况下，三种流道结构的液冷板及电池包热仿真数据对比见图12。三种液冷板所需加热时间和换热数据见表5。采用“横向”液冷板的电池包最高温度为14.2 ℃，最大温差为9.2 ℃。液冷板最低温度为28 ℃，最大温差为12.0 ℃。液冷板平均换热功率为6.75 kW，加热时间63.7 min。与采用“凸包”、“纵向”液冷板的电池包比，加热时间短，换热效果好。
图12 低温加热工况三种结构液冷板及电池包热仿真数据对比
表5 三种液冷板所需加热时间和换热数据
驱动耐久工况下，三种流道结构的液冷板及电池包热仿真数据对比见图13。三种液冷板所需工作时间和换热数据见表6。
图13 驱动耐久工况三种液冷板及电池包热仿真数据对比
表6 驱动耐久工况下液冷板所需工作时间和换热功率
采用“横向”液冷板的电池包最高温度为36.1 ℃，最大温差为1.5 ℃。液冷板平均换热功率为1.49 kW，与采用“凸包”、“纵向”液冷板的电池包比，换热功率最高，换热效果好。三种结构液冷板流体均匀性、流程、冷却工质温差等参数见表7。
表7 液冷板结构分析
通过对采用不同流道结构液冷板的电池包各工况下温度场数据的比较分析，发现影响电池包换热效果的主要因素有两个：
其一是流道流程长短，这个“流程”特指电芯底部换热区下面液冷板的流道内，流体流入该区域的起点至流出该区域的终点的距离。流程越长，流道内冷却工质温度变化越快，换热效率越好。
其二是流道流体均匀性，流体越均匀，换热效果越好。“横向”流道采用Y 向进液方式，调节电池包各模块下液冷板流道流体均匀性，有效提高了电池包整体换热效率。
图14 为采用的电池包温度场分布。从图可看出，采用“横向”液冷板电池包的电芯之间温差比其他两种小，温度均匀，说明其热管理效果好。
图14 三种结构液冷板电池包温度场分布
综上，横向流道液冷板结构热管理性能相对其他两种方案较为优越，是一种较为理想的液冷板结构。
4.1 低温加热台架实验
对“横向”流道液冷板进行低温加热台架实验，实验要求与仿真工况相同，流道内流体流量10 L/min。电池包被加热到规定温度5 ℃时，用时3 420 s。电池包最高温度为10 ℃，最大温差为7 ℃。低温加热台架实验结果见表8。
表8 电池包低温加热台架实验结果 ℃
实验过程中，电池包温差变化缓慢，未超过7 ℃。这说明采用“横向”流道液冷板的电池包热管理效果良好。低温加热工况电池包温度变化曲线见图15。
图15 低温加热工况电池包温度变化曲线图
4.2 驱动耐久工况台架实验
对“横向”流道液冷板进行驱动耐久台架实验，实验要求与仿真工况相同。电池包初始电量为100%，对电池包以规定制度放电。实验结束电池包电量为1.1%。电池包驱动耐久台架实验结果见表9。当驱动耐久实验结束时，电池包温度为36.1 ℃。实验中电池包最高温度45 ℃，实验过程中最大温差为4.0 ℃。
表9 电池包驱动耐久台架实验结果 ℃
电池包驱动耐久实验温度及温差变化曲线见图16。实验过程中，温差几乎没有变化，说明散热过程稳定，散热效果较好。
图16 电池包驱动耐久实验温度及温差变化曲线
4.3 热仿真与台架实验数据比较
热仿真与实验数值对比见表10，低温加热工况，电池包最高温度实验值比热仿真值低4.2 ℃；
电池包最大温差实验值比热仿真值低2.2 ℃。驱动耐久冷却工况，电池包最高温度，实验值与热仿真值一致；
电池包最大温差实验值比热仿真值高2.5 ℃。
表10 热仿真与实验数值对比 ℃
实验值与热仿真值之间存在差别主要是由以下几个方面因素引起的。首先，电池包结构复杂，仿真过程中对电池包结构和被动散热环境做了简化；
其次，实验过程中使用温箱模拟电池包在整车上使用时的温度环境，这与实际存在一定差别。
电池包低温加热工况与驱动耐久冷却工况的最大温差实验值与仿真值基本一致，差值小于3 ℃，数据说明热仿真是有效和可信的。
针对CTP 动力电池包传统“口琴管”液冷板存在的问题与缺陷，做了液冷板流道的设计改进。结合改进的“凸包”、“纵向”和“横向”流道液冷板结构，建立三维流-热耦合电池包仿真模型。通过仿真得到电池包两种工况下相关特征温度。用台架实验对仿真优化后的“横向”液冷板电池包散热有效性进行了验证。
在流道宽度、流道高度及盖板厚度相同条件下，采用“横向”液冷板电池包，与采用“纵向”及“凸包”液冷板的电池包相比，其低温加热及驱动耐久冷却工况下的散热效果更好些。
采用“横向”液冷板，与采用“纵向”和“凸包”液冷板相比，在低温加热工况，电池包最大温差低，分别低了7.8 和4.4 ℃；
所需加热时间也少了，分别少用16.9 和8.7 min。在驱动耐久冷却工况，将采用三种液冷板电池包最大温差相比较后，发现“横向”比“纵向”和“凸包”分别低1.6 和0.8 ℃。
依据热仿真优化结果，加工研制了“横向”液冷板，“横向”液冷板装在CTP 电池包上进行台架实验。实验中电池包最大温差低温加热工况下为7 ℃，驱动耐久冷却工况下为4 ℃。数据说明“横向”液冷板传热性能优异，电池包热管理效果良好，改进设计是合理有效的。
猜你喜欢液冷电芯台架厌氧胶在液冷板缺陷修复中的工艺技术粘接(2023年1期)2023-02-11制动器液冷控制系统模糊控制策略汽车实用技术(2022年15期)2022-08-19星恒2系列电池介绍中国自行车(2022年3期)2022-06-30发动机台架排放测试影响因素汽车实用技术(2022年7期)2022-04-20锂电池不同连接方式下的针刺测试探究电源技术(2022年2期)2022-03-03航天服的液冷服有什么用？军事文摘·科学少年(2021年7期)2021-09-26航天服的液冷服有什么用？军事文摘(2021年14期)2021-08-16P2离合器摩擦片磨损率台架测试方法装备制造技术(2021年4期)2021-08-05可变进气歧管(VIS)切换点的台架标定方法研究装备制造技术(2020年11期)2021-01-26荣威混动e550高压电池组电芯压差过大汽车维修与保养(2020年11期)2020-06-09
