電動車動力鋰離子電池水冷系統研究

張浩，羅志民，宋韓龍，張福增

（天津力神動力電池系統有限公司，天津 300384）

電動車動力鋰離子電池水冷系統研究

張浩，羅志民，宋韓龍，張福增

（天津力神動力電池系統有限公司，天津 300384）

針對純電動車動力電池系統設計了一套液冷系統，計算了電池系統發熱功率，并根據發熱功率設計出了水冷板結構，并根據電池發熱功率及水冷板結構計算了液冷系統壓力、流量參數。選取了壓縮機、熱交換器、水加熱器、泵等元器件，并在步入式溫箱中模擬高溫環境對電池系統、水冷系統進行了性能測試，對測試結果進行了分析，水冷系統效果明顯，可以在高溫環境下，電池系統在高倍率放電時把電芯溫度控制在35℃內，保證電池系統安全運行。

動力電池；液冷系統；水冷板；熱交換器；步入式溫箱

CLC NO.:TM933Document Code:BArticle ID:1671-7988 (2017)06-47-04

引言

目前隨著電動汽車技術的發展，對動力電池的要求越來越高，為保證電池系統安全，對電池系統熱管理提出了更高的要求，在高功率應用時能夠控制電池系統在最佳溫度范圍內，且國家標準要求箱體滿足IP67，這時傳統風冷系統已經不能滿足需要，因此急需新的熱管理方式，且在國外電動汽車領域已有成熟的液冷應用技術，為滿足未開市場需求，提高自身產品市場競爭力，我們也需要開展液冷技術研究，并逐步使我們的液冷技術成熟應用。

基于液體熱交換的冷卻系統比空氣系統效率更高，電動汽車電池組內部溫度更均勻，但是系統更復雜。例如從電池到液相的熱轉換，可以將金屬膠合在容器壁上或嵌入容器壁來完成。同樣，整個熱轉換可以利用電池極柱的高熱傳導性，來冷卻或加熱來保持溫度。采用液體介質的傳熱可在模塊之間布置管線，或圍繞模塊布置夾套，或者把模塊沉浸在介質中，來實現電池和液體之間的熱交換。

若液體不是直接和電池接觸（如傳熱管、夾套等），傳熱介質可以采用水、乙二醇甚至制冷劑。若要把電池沉浸在傳熱液體中，則該液體必須是電介質，并采用絕緣措施避免發生短路，在模塊壁和傳熱介質之間的傳熱速率取決于液體的熱導率、黏度、密度和流動速度等。在相同流速下，大多數直接接觸式流體（如礦物油）傳熱速率遠高于空氣，因為其有比較薄的邊界層和較高的熱導率。但由于由有較高的黏度，需要較高的泵送功率，只能采用較低的流速，通常其傳熱系數比空氣僅高出1.5～3倍。

表1 風冷/水冷對比

1、水冷系統組成

1.1 水冷機組組成

本水冷系統布置在電池箱體外部，電池包熱管理系統采用頂置一體式結構形式，此產品包括制冷系統、加熱系統、水路循環系統。本系統通過管道連接至電池包水套預留進液口、出液口，制冷系統由直流變頻壓縮機、微通道平行流冷凝器、膨脹閥、不銹鋼板式換熱器等主要部件和干燥過濾器、氣液分離器等輔助部件組成，加熱系統包括內置水箱式4KW加熱器和控制元件，水路循環系統包括24V直流水泵，密封式循環水箱、不銹鋼換熱器、膨脹罐等器件。

圖1 熱管理系統原理圖

制冷原理，電池包熱管理制冷系統采用蒸氣壓縮式制冷原理。當給電池組降溫時，電加熱器不啟動。水泵將水箱的防凍液泵入電池包水套，電池包的出液口與板式換熱器進口連接，板式換熱器的出口與水箱的回水口相連接，從而形成水路循環系統，電池包出來的防凍液與板式換熱器另一側的制冷劑進行對流熱交換，變成冷的防凍液，冷的防凍液再流入水箱，通過泵與電池組進行熱交換變成熱的防凍液，如此往復，達到對電池組降溫的目的。

制熱原理給電池環境升溫時，壓縮機不啟動，水箱內的電加熱器將防凍液加熱，然后通過水泵將熱的防凍液泵入電池包內，達到對電池包加熱的目的。

介質選用防凍液（40%的乙二醇和60%的軟水混合成的防凍液，沸點為108℃，冰點為-25℃，防腐蝕、防水垢）作為介質，由水泵提供循環動力。膨脹罐為循環介質熱脹冷縮設計，循環介質高溫膨脹時，多余循環介質進入膨脹水箱，循環介質低溫收縮時，補充循環水箱。溫控系統用于各個溫度控制點的溫度，包括循環水箱溫度、電池包回水溫度等。控溫系統采用PT100鎧裝溫度傳感器進行溫度數據采集，并采用PLC控制器作為溫度控制器，對全系統各節點進行自動控溫。整個系統采用 CAN通訊與上位機聯動，實現遠程控制。命令對系統設定溫度、待機/運行選擇、溫度查詢等功能。

表2 冷卻系統參數表

1.2 電池箱體內部水冷管路

電池箱體內部，水冷板布置在電池模組側面，電芯底部與水冷板接觸，水冷板與電池底部之間采用導熱膠填充，這樣電芯與水冷板充分接觸，減小熱阻，導熱膠導熱系數：空氣導熱系數：0.026W/(m·k)，水冷板內部有翅片，這樣會使水冷板表面溫度均勻，水冷管路在電池箱體內部采用3并3串的布置方式，管路與水冷板接頭采用快插形式，電芯發熱功率計算方法：

計算電芯生熱率時，采用一種基于電池內部物質發熱均勻的假設電池生熱計算式：

在計算極柱生熱率時，由極柱產生的焦耳熱，生熱率計算公式如下：

式中，Q為極柱發熱量，V為極柱體積，I為電流，R為極柱內阻。極柱內阻R的計算公式為：

式中，l為極柱長度，S為極柱底面面積，ρ為極柱材料電阻率，鋁的電阻率為 2.83×10-8(Ω·m)，銅的電阻率為1.75×10-8(Ω·m)。

根據電芯的發熱功率選取合適的冷卻系統壓縮機功率，并根據水冷板與電芯間的熱交換系數，計算出水冷系統壓力、流量，此系統水冷板流量 2L/min，系統壓力 0.1Mpa，水冷板及管理在箱體內的布置方式如下圖所示：

圖2 水冷板模組布置示意圖

圖3 箱體內管路布置示意圖

2、結果分析

電池系統在環境溫度為40℃時進行了0.78C、0.85C、1C充放電循環，并進行了水冷測試。

圖4 0.78C充放電模組溫度變化圖

圖5 0.78C充放電進出水口溫度變化圖

圖6 0.85C充放電模組溫度變化圖

圖7 0.85C充放電進出水口溫度變化圖

圖8 1C充放電模組溫度變化圖

圖9 1C充放電進出水口溫度變化圖

表3 數據結果

環境溫度為40℃時，以0.7C充放電，當電芯溫度達到47.8℃時，開啟熱熱管理系統，冷卻液溫度最低恒定在8℃，電芯溫度降低到 37℃時，平均降溫速率為 0.3℃/min，模組最低與最高溫差在10℃以內，進出水溫差在5℃以內，模組溫差較大。

環境溫度為40℃時，以0.85C充放電，當電芯溫度達到47.8℃時，開啟熱熱管理系統，冷卻液溫度最低恒定在8℃，電池系統進行三個充放電循環，由圖4可見，模組經歷了兩個最高最低溫度循環，第一個循環時，由47.8℃降低到30℃，降溫速率為 0.2℃/min，第二個循環時，降溫速率為 0.21℃/min；模組最高溫差隨著溫度升高逐漸增大，當開啟冷卻時，溫差逐漸減小，模組最高溫差在10℃；電池箱體進出水口溫差在5℃內。

環境溫度為40℃時，以1C充放電，當電芯溫度達到47.8℃時，開啟熱熱管理系統，冷卻液溫度最低恒定在 8℃，降溫速率為0.14℃/min，當電芯溫度達到35.8℃時，溫度不在變化，說明電池箱體與水冷系統熱交換達到了平衡，并且模組溫差較小倍率放電時有所增大，最大達到了14℃。

3、結論

分析了熱管理系統的工作原理，并給出了動力電池的發熱功率計算公式，選取了主要原件，并設計出了系統參數，電芯在高溫環境下高倍率充放電時，該冷卻系統能夠控制電芯溫度繼續升高，并能把溫度控制在合理范圍內，但電芯在降溫及加熱過程中存在模組溫差過大的問題，分析原因有：

1）電池系統絕熱措施不夠完善；

2）電池系統內水冷管路內冷卻液流量分配不均勻；

3）水冷板與電芯之間熱交換效率低；

4）溫度采集點布置，盡量在模組的同一位置布置，數據比較較為可信。

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The water cooling-system research of EV battery

Zhang Hao, Luo Zhimin, Song Hanlong, Zhang Fuzeng
( Tianjin lishen battery joint-stock co., LTD, Tianjin 300384 )

A water cooling system was designed according to EV battery, the heating power of battery was calculated, the water cooling-plate structure was designed on the base of heating power, the pressure and rate of flow were calculated according to the heating power of battery and water cooling-plate structure. The compressor, heat-exchanger, water heater and electronic pump were chosen, and the performance of battery system and water cooling system was test in the enter type thermostat, the test result was analyzed. According to the analysis result, the cooling effect was evident, and the temperature of cells can be controlled within 35℃, so as to insure the safe running of the battery.

power battery; cooing system; water cooling-plate; heat-exchanger; enter type thermostat

TM933

B

1671-7988 (2017)06-47-04

張浩（1984-），男，碩士研究生，主任工程師，就職于天津力神動力電池系統有限公司。主要從事電動汽車動力電池熱管理及仿真工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.014