改進(jìn)液冷板結(jié)構(gòu)后CTP動(dòng)力電池包的熱特性

摘要：

液冷板結(jié)構(gòu)對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池包的溫度均勻性具有顯著的影響。 針對(duì)傳統(tǒng)“口琴管”液冷板存在均溫性差、漏液風(fēng)險(xiǎn)高等不足，改進(jìn)液冷板設(shè)計(jì)。 通過(guò)流-熱耦合仿真方法研究了改進(jìn)的“凸包”、“縱向”和“橫向”流道的三種液冷板結(jié)構(gòu)對(duì) CTP 動(dòng)力電池包低溫加熱及驅(qū)動(dòng)耐久冷卻工況下傳熱性能的影響，結(jié)果表明，采用“橫向”流道結(jié)構(gòu)液冷板，在低溫加熱工況下，電池包最大溫差較采用“縱向”和“凸包”流道結(jié)構(gòu)液冷板分別低 7.8 和 4.4 ℃； 在驅(qū)動(dòng)耐久冷 卻工況下，電池包最大溫差較采用“縱向”和“凸包”流道結(jié)構(gòu)液冷板分別低 1.6 和 0.8 ℃。 通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)采用“橫向” 流道結(jié)構(gòu)液冷板的電池包進(jìn)行熱工況驗(yàn)證，電池包最大溫差在低溫加熱工況下不高于 7 ℃，在驅(qū)動(dòng)耐久冷卻工況下不 高于 4 ℃。 這表明“橫向”流道結(jié)構(gòu)的液冷板具有良好的熱管理性能。

電池包是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源。 電池包性能會(huì)影響整車 續(xù)航里程和安全性。 在低溫環(huán)境下，電池包充放電性能將會(huì) 顯著下降，導(dǎo)致續(xù)航里程減少。 電池包熱管理系統(tǒng)具備主動(dòng) 或被動(dòng)改善電池工作溫度環(huán)境條件的功能，可以改善低溫環(huán) 境下續(xù)航里程不足問(wèn)題[1]。 研究改進(jìn)動(dòng)力電池包熱管理系 統(tǒng)，對(duì)推動(dòng)新能源汽車發(fā)展具有重要意義[2]。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要作用是高溫下散熱，低溫下加熱或 者減少散熱。 散熱主要有四種冷卻方式，包括空氣自然冷 卻、強(qiáng)制通風(fēng)冷卻、管道液體冷卻及相變材料冷卻。 其中管 道液體冷卻采用流道式液冷板，它有較高冷卻效率和較低制 造成本的特點(diǎn)，為當(dāng)前電池包采用的主流散熱方式。 下文將 液體冷卻簡(jiǎn)稱為液冷，液體流道式冷卻板簡(jiǎn)稱為液冷板。

電動(dòng)汽車用電池包的液冷板，流道大多采用“口琴管”結(jié) 構(gòu)。 其存在兩方面缺點(diǎn)：其一是均溫性較差，因?yàn)榱鞯婪较?單一，液冷板與電池接觸面積小，熱阻較大，造成電芯內(nèi)部溫 差大，在大電流充放電及低溫加熱時(shí)，對(duì)電池性能損害作用 大； 其二是這種流道結(jié)構(gòu)存在較高的漏液風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榭谇俟?液冷板安裝在電池包內(nèi)部，無(wú)法做到干濕環(huán)境隔離，如果冷 卻流道密封出現(xiàn)問(wèn)題，冷卻液會(huì)泄露，冷卻液能造成模組電 路短路，會(huì)引發(fā)熱失控事故。 安裝在內(nèi)部的液冷板會(huì)占用電 池包有效空間，減少用于電芯安裝的空間，使電池包能量減 少，縮短電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程。

針對(duì)“口琴管”結(jié)構(gòu)液冷板存在的問(wèn)題，改進(jìn) CTP(cell to Pack)動(dòng)力電池包的液冷板流道設(shè)計(jì)，建立三種不同流道結(jié)構(gòu)的液冷板模型。 通過(guò)流-熱耦合仿真方法研究了改進(jìn)的“凸 包”、“縱向”和“橫向”流道的三種液冷板結(jié)構(gòu)對(duì) CTP 動(dòng)力電 池包低溫加熱及驅(qū)動(dòng)耐久冷卻性能的影響和液冷板結(jié)構(gòu)對(duì) 動(dòng)力電池包低溫加熱性能的影響，然后進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，最后 結(jié)合仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了合理的冷卻板結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 液冷板冷卻傳熱模型

液冷板冷卻傳熱模型主要包括流道流體流動(dòng)控制方程 及電芯與環(huán)境溫度的熱交換兩個(gè)部分[3]。

1.1 流道流體流動(dòng)控制方程

任何流體流動(dòng)時(shí)傳質(zhì)傳熱過(guò)程，均應(yīng)符合質(zhì)量守恒定 律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律[4]。 液冷板流道中流場(chǎng)控 制方程見(jiàn)式(1)~式(3)。

1.2 電芯傳熱

電芯內(nèi)部熱量傳遞方式可分為熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流 等三種方式。 通過(guò)熱輻射傳導(dǎo)的熱量與另外兩種方式相比， 在總傳熱量中占比很小。 為簡(jiǎn)化傳熱模型，通常只考慮熱傳 導(dǎo)和熱對(duì)流。 電芯的產(chǎn)熱過(guò)程遵守?zé)崃渴睾惴匠蹋?/p>

熱傳導(dǎo)是指電芯內(nèi)部產(chǎn)生的熱量依靠微觀粒子熱運(yùn)動(dòng) 向電池壁面?zhèn)鬟f，該過(guò)程遵守傅里葉定律：

熱對(duì)流是指?jìng)鲗?dǎo)到電芯表面的熱量通過(guò)環(huán)境中流體對(duì) 流作用來(lái)交換熱量，它符合牛頓冷卻方程：

由電芯生熱機(jī)理可知，在電芯環(huán)境處于常溫時(shí)，電芯能 及時(shí)將自身的熱量釋放出去。 但在外界環(huán)境變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致 電芯性能改變，其自身生熱同樣發(fā)生變化[5]。

電芯熵?zé)嵯禂?shù)對(duì)高倍率充放電影響不是很大，只會(huì)影響 電芯傳熱過(guò)程的溫度變化，可以忽略，這為簡(jiǎn)化熱模型提供了條件。

2 熱仿真模型

2.1 幾何模型

通常，熱仿真模型是建立在幾何模型基礎(chǔ)上，然后將模 型移至熱仿真軟件中，加載賦值熱傳導(dǎo)模式及參數(shù)，進(jìn)行熱 仿真計(jì)算和分析。

液冷板由上蓋平板和具有流道結(jié)構(gòu)的下蓋板等兩部分 組成，其流道密閉耐壓實(shí)驗(yàn)需滿足 2.0×105 Pa 以上壓力要求。 假設(shè)流道截面是矩形，流道過(guò)寬，其耐受壓力值變小，與電芯 接觸的上蓋平板的散熱貼合面將發(fā)生鼓脹，這會(huì)影響傳熱效 果和結(jié)構(gòu)安全。 依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，液冷板流道寬度不宜超過(guò) 20 mm，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還會(huì)留有耐壓冗余； 流道高度超過(guò) 4 mm，液 冷板的上蓋板過(guò)薄，這會(huì)影響流道的爆破壓力，損害液冷板 安全及可靠性。

電池包液冷板多為鋁板，流道有“凸包”、“縱向”和“橫 向”等三種不同結(jié)構(gòu)方式。 這三種結(jié)構(gòu)液冷板見(jiàn)圖 1~圖 3。 三種流道結(jié)構(gòu)，其流道均設(shè)置為寬 20 mm，高 4 mm，上下蓋板 厚度 1.0 mm。 進(jìn)行三維建模及熱仿真分析。 圖 4 為 CTP 動(dòng) 力電池包示意圖。

2.2 網(wǎng)格劃分

在 CFD 分析軟件(STAR-CCM+)中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，面網(wǎng)格 劃分應(yīng)保證拓?fù)鋷缀尾皇д?，?shù)量為 1 063 萬(wàn)個(gè)。 在體網(wǎng)格 劃分中，冷卻液采用多面體加棱形邊界層網(wǎng)格，其他部件采 用多面體網(wǎng)格，數(shù)量為 813 萬(wàn)個(gè)。 冷卻液邊界層為 2 層，第一 層厚度 0.05 mm，總厚度 0.2 mm。

2.3 模型參數(shù)與邊界條件

電池包必須通過(guò)低溫加熱及驅(qū)動(dòng)耐久實(shí)驗(yàn)，這是整車應(yīng) 用時(shí)比較苛刻的工況，能夠真實(shí)呈現(xiàn)出液冷板熱管理效能及 極限能力。 電池包進(jìn)行仿真時(shí)模擬了這兩種工況。 電池包為CTP(cell to pack)結(jié)構(gòu)，共有 116只單體電池串聯(lián)組成。 表 1為 仿真時(shí)電池包的基本數(shù)據(jù)。 表 2 和表 3 為仿真時(shí)初始邊界條 件。 圖5為電芯廠提供的驅(qū)動(dòng)耐久工況下電池發(fā)熱量數(shù)據(jù)。

表 4 為電池包內(nèi)各部件熱物性參數(shù)及邊界條件，電池包 內(nèi)為自然對(duì)流散熱，各表面對(duì)流換熱系數(shù)通常按 5 W/(m2 · K) 設(shè)置，邊界換熱溫度按環(huán)境溫度設(shè)置。

**3 仿真結(jié)果與分析 **

**3.1 低溫加熱工況 **

3.1.1“凸包”液冷板熱仿真

圖 6 為“凸包”液冷板、電池包的溫度場(chǎng)分布情況。 由圖 6(a)可知，此時(shí)電池包最高溫度為 18.6 ℃，出現(xiàn)在 M1 區(qū)，M1 區(qū)是模組進(jìn)水端； 最低溫度為 5 ℃，出現(xiàn)在 M4 區(qū)，M4 區(qū)是模組出水端。 電池包四個(gè)分區(qū)最大溫差為 13.6 ℃。

由圖 6(b)可知，液冷板最高溫度為 40 ℃，出現(xiàn)在進(jìn)水口 處，最低溫度為 22 ℃，位于出水口處。 冷卻液溫度隨著液冷 板內(nèi)流動(dòng)路徑的增長(zhǎng)而逐漸降低，其最大溫差為 18 ℃。

3.1.2“縱向”液冷板熱仿真

圖 7 為“縱向”液冷板及電池包溫度場(chǎng)分布情況。 由圖 7 (a)可知，電池包最高溫度為 22 ℃，與最低溫度 5 ℃相比，溫差 為 17 ℃。

由圖 7(b)可知，液冷板的最高溫度為 40 ℃，最低溫度為 21.2 ℃，分別出現(xiàn)在進(jìn)水口處和出水口處，溫差 18.8 ℃。

3.1.3“橫向”液冷板熱仿真

圖 8 為“橫向”液冷板及電池包溫度場(chǎng)分布情況。 由圖 8 (a)可知，電池包最高溫度 14.2 ℃，與最低溫度 5 ℃之間相差 9.2 ℃。

由圖 8(b)可知，液冷板最高溫度為 40 ℃，最低溫度為 28 ℃，分別出現(xiàn)在進(jìn)水口處和出水口處，溫差12 ℃。

3.2 驅(qū)動(dòng)耐久工況

3.2.1“凸包”液冷板熱仿真

圖 9 為“凸包”液冷板及電池包溫度場(chǎng)分布情況。 由圖 9 (a)可知，電池包最低溫度 34.3 ℃出現(xiàn)在 M1 區(qū)，M1 是模組進(jìn)水端； 最高溫度 36.6 ℃出現(xiàn)在 M4 區(qū)，M4 是模組出水端。 電 池包溫差為 2.3 ℃。

由圖 9(b)可知，液冷板最低溫度為 25.0 ℃，出現(xiàn)在進(jìn)水口 處； 最高溫度為 30.3 ℃，出現(xiàn)在出水口處。 隨著液冷板內(nèi)流 動(dòng)路徑的增長(zhǎng)，冷卻液溫度逐漸升高，溫差為 5.3 ℃。

3.2.2“縱向”液冷板熱仿真

圖 10 為“縱向”液冷板及電池包溫度場(chǎng)分布情況。 由圖 10(a)可知，此時(shí)電池包最低溫度 34.1 ℃，與最高溫度 37.2 ℃ 之間相差 3.1 ℃。

由圖 10(b)可知，液冷板最低溫度為 25 ℃，最高溫度為 31.5 ℃，分別出現(xiàn)在進(jìn)水口處和出水口處，溫差 6.5 ℃。

3.2.3“橫向”液冷板熱仿真

圖 11 為“橫向”液冷板及電池包溫度場(chǎng)分布情況。 由圖 11(a)可知，電池包最低溫度為 34.6 ℃，與最高溫度 36.1 ℃相 差 1.5 ℃。

由圖 11(b)可知，液冷板最低溫度為 25 ℃，最高溫度為 29 ℃，分別出現(xiàn)在進(jìn)水口處和出水口處。 隨著流動(dòng)路徑的增 長(zhǎng)，冷卻液溫度不斷升高，溫差 4.0 ℃。

3.3 熱仿真結(jié)果分析

低溫加熱工況下，三種流道結(jié)構(gòu)的液冷板及電池包熱仿 真數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖 12。 三種液冷板所需加熱時(shí)間和換熱數(shù)據(jù) 見(jiàn)表 5。 采用“橫向”液冷板的電池包最高溫度為 14.2 ℃，最 大溫差為 9.2 ℃。 液冷板最低溫度為 28 ℃，最大溫差為 12.0 ℃。 液冷板平均換熱功率為 6.75 kW，加熱時(shí)間 63.7min。 與采用“凸包”、“縱向”液冷板的電池包比，加熱時(shí)間 短，換熱效果好。

驅(qū)動(dòng)耐久工況下，三種流道結(jié)構(gòu)的液冷板及電池包熱仿 真數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖 13。 三種液冷板所需工作時(shí)間和換熱數(shù)據(jù) 見(jiàn)表6。

采用“橫向”液冷板的電池包最高溫度為 36.1 ℃，最大溫 差為 1.5 ℃。 液冷板平均換熱功率為 1.49 kW，與采用“凸 包”、“縱向”液冷板的電池包比，換熱功率最高，換熱效果好。 三種結(jié)構(gòu)液冷板流體均勻性、流程、冷卻工質(zhì)溫差等參數(shù)見(jiàn) 表 7。

通過(guò)對(duì)采用不同流道結(jié)構(gòu)液冷板的電池包各工況下溫 度場(chǎng)數(shù)據(jù)的比較分析，發(fā)現(xiàn)影響電池包換熱效果的主要因素 有兩個(gè)：

其一是流道流程長(zhǎng)短，這個(gè)“流程”特指電芯底部換熱區(qū) 下面液冷板的流道內(nèi)，流體流入該區(qū)域的起點(diǎn)至流出該區(qū)域 的終點(diǎn)的距離。 流程越長(zhǎng)，流道內(nèi)冷卻工質(zhì)溫度變化越快， 換熱效率越好。

其二是流道流體均勻性，流體越均勻，換熱效果越好。 “橫向”流道采用 Y 向進(jìn)液方式，調(diào)節(jié)電池包各模塊下液冷板 流道流體均勻性，有效提高了電池包整體換熱效率。

圖 14 為采用的電池包溫度場(chǎng)分布。 從圖可看出，采用 “橫向”液冷板電池包的電芯之間溫差比其他兩種小，溫度均 勻，說(shuō)明其熱管理效果好。

綜上，橫向流道液冷板結(jié)構(gòu)熱管理性能相對(duì)其他兩種方 案較為優(yōu)越，是一種較為理想的液冷板結(jié)構(gòu)。

**4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 **

4.1 低溫加熱臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

對(duì)“橫向”流道液冷板進(jìn)行低溫加熱臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)要求與仿真工況相同，流道內(nèi)流體流量 10 L/min。 電池包被加熱 到規(guī)定溫度 5 ℃時(shí)，用時(shí) 3 420 s。 電池包最高溫度為 10 ℃， 最大溫差為 7 ℃。 低溫加熱臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 8。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電池包溫差變化緩慢，未超過(guò) 7 ℃。 這說(shuō)明 采用“橫向”流道液冷板的電池包熱管理效果良好。 低溫加 熱工況電池包溫度變化曲線見(jiàn)圖 15。

4.2 驅(qū)動(dòng)耐久工況臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

對(duì)“橫向”流道液冷板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)耐久臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)要求 與仿真工況相同。 電池包初始電量為 100%，對(duì)電池包以規(guī) 定制度放電。 實(shí)驗(yàn)結(jié)束電池包電量為 1.1%。 電池包驅(qū)動(dòng)耐 久臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 9。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)耐久實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，電池包溫 度為 36.1 ℃。 實(shí)驗(yàn)中電池包最高溫度 45 ℃，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最 大溫差為 4.0 ℃。

電池包驅(qū)動(dòng)耐久實(shí)驗(yàn)溫度及溫差變化曲線見(jiàn)圖 16。 實(shí)驗(yàn) 過(guò)程中，溫差幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明散熱過(guò)程穩(wěn)定，散熱效果較好。

4.3 熱仿真與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

熱仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)值對(duì)比見(jiàn)表 10，低溫加熱工況，電池包 最高溫度實(shí)驗(yàn)值比熱仿真值低 4.2 ℃； 電池包最大溫差實(shí)驗(yàn) 值比熱仿真值低 2.2 ℃。 驅(qū)動(dòng)耐久冷卻工況，電池包最高溫 度，實(shí)驗(yàn)值與熱仿真值一致； 電池包最大溫差實(shí)驗(yàn)值比熱仿 真值高 2.5 ℃。

實(shí)驗(yàn)值與熱仿真值之間存在差別主要是由以下幾個(gè)方 面因素引起的。首先，電池包結(jié)構(gòu)復(fù)雜，仿真過(guò)程中對(duì)電池 包結(jié)構(gòu)和被動(dòng)散熱環(huán)境做了簡(jiǎn)化；其次，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用溫 箱模擬電池包在整車上使用時(shí)的溫度環(huán)境，這與實(shí)際存在一 定差別。

電池包低溫加熱工況與驅(qū)動(dòng)耐久冷卻工況的最大溫差 實(shí)驗(yàn)值與仿真值基本一致，差值小于 3 ℃，數(shù)據(jù)說(shuō)明熱仿真是 有效和可信的。

5 結(jié)論

針對(duì) CTP 動(dòng)力電池包傳統(tǒng)“口琴管”液冷板存在的問(wèn)題 與缺陷，做了液冷板流道的設(shè)計(jì)改進(jìn)。結(jié)合改進(jìn)的“凸包”、 “縱向”和“橫向”流道液冷板結(jié)構(gòu)，建立三維流-熱耦合電池包 仿真模型。通過(guò)仿真得到電池包兩種工況下相關(guān)特征溫度。用臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真優(yōu)化后的“橫向”液冷板電池包散熱有效 性進(jìn)行了驗(yàn)證。

在流道寬度、流道高度及蓋板厚度相同條件下，采用“橫 向”液冷板電池包，與采用“縱向”及“凸包”液冷板的電池包相 比，其低溫加熱及驅(qū)動(dòng)耐久冷卻工況下的散熱效果更好些。

采用“橫向”液冷板，與采用“縱向”和“凸包”液冷板相 比，在低溫加熱工況，電池包最大溫差低，分別低了 7.8 和 4.4 ℃；所需加熱時(shí)間也少了，分別少用 16.9 和 8.7 min。在驅(qū) 動(dòng)耐久冷卻工況，將采用三種液冷板電池包最大溫差相比較 后，發(fā)現(xiàn)“橫向”比“縱向”和“凸包”分別低 1.6 和 0.8 ℃。

依據(jù)熱仿真優(yōu)化結(jié)果，加工研制了“橫向”液冷板，“橫 向”液冷板裝在 CTP 電池包上進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中電池包 最大溫差低溫加熱工況下為 7 ℃，驅(qū)動(dòng)耐久冷卻工況下為 4 ℃。數(shù)據(jù)說(shuō)明“橫向”液冷板傳熱性能優(yōu)異，電池包熱管理 效果良好，改進(jìn)設(shè)計(jì)是合理有效的。

審核編輯：湯梓紅