低溫工況下液冷一體化電池包的熱性能優化研究

黃文雪

某項目采用高集成度的液冷一體化電池包。由于采用液冷板替代箱體底板，其低溫加熱和保溫性能都受到了影響。利用仿真工具對電池包的傳熱路徑進行了分析優化，比較了3種不同流道走勢、不同保溫系數和不同進口工質溫度對電池包在低溫加熱、保溫及慢充工況下的影響。結合臺架試驗和整車試驗，證實了最優化熱管理方案，改善了電池包在低溫工況的熱性能。關鍵詞：液冷一體化電池包;電池液熱系統;低溫加熱;保溫

0 前言

為了應對日益嚴峻的能源和環境問題，世界各國均將發展新能源汽車納入國家發展戰略，從而實現節能減排的目標[1]。動力電池系統作為新能源汽車的核心部件之一，其性能優劣直接決定了新能源車輛性能是否達標[2]。鋰離子電池作為動力電池系統的能量載體，其性能和壽命受工作或存儲溫度影響較大。當電池溫度低于最優工作區間時，電池系統性能大幅衰減，壽命衰退明顯[3]。同時，低溫工況也極大影響了鋰電池的充放電性能。當環境溫度低于-10 ℃時，動力電池的充電電流受到限制，微弱的充電電流帶來的電池自發熱無法使電池升溫到允許大電流充電的要求溫度[4]，動力電池將面臨無法充電的境況，這極大限制了新能源汽車在低溫地區的推廣和用戶在冬季的用車。因此，動力電池在低溫工況下的熱管理系統研究勢在必行，優化電池低溫工況下的熱性能已成為行業關注重點[5]。

某項目電池包采用一體化液冷板，將冷板與箱體進行集成，替代了箱體底板。一體化液冷板一方面能起到支撐作用，另一方面能夠減小箱體質量，提高整包能量密度。但是，此電池包中的液冷板近乎直接與外界接觸，液冷板與箱體間的熱阻大大降低，導致電池包在低溫工況下的熱性能受到更為嚴峻的挑戰。這對熱管理系統的熱設計提出了更高的要求。本文利用仿真工具對低溫工況下電池包的傳熱路徑、流道走勢、保溫系數和不同進口工質溫度進行優化分析，得到了最優化的熱管理方案，再經過臺架試驗與整車試驗，達到了預期目標。

1 熱管理系統方案

某項目電池包熱管理系統整體方案如圖1所示。磷酸鐵鋰電芯單體的電容量為52 A·h，以3P4S排列方式串接成1個模組，共計25個模組。其中，23個模組為橫向排列，2個模組為縱向排列，其下鋪設1 mm厚導熱墊。導熱墊下則為一體化沖壓液冷板，厚度為6.7 mm，其中上板壁厚1.5 mm，流道厚度為4.0 mm，下板壁厚度為1.2 mm。為防止液熱系統熱量從下方逸散至箱體外，在液冷板下方放置有厚度為2.3 mm的隔熱墊，起到保溫和緩沖的效果。箱體底護板厚度僅為1.2 mm，承重主要由一體化沖壓液冷板承擔。本文涉及到以下3種低溫工況，包括低溫加熱、低溫保溫和低溫慢充。3種低溫工況條件如表1所示。為了得到最優的熱管理方案，在仿真分析時，技術人員將比較以下變量：（1）液冷板側端與箱體間增加1層厚度為2.0 mm、導熱系數為0.04 W/（m·K）的保溫材料，稱之為“隔斷”，并且與無隔斷情況下進行低溫慢充工況的熱仿真進行對比;（2）取消空氣隔熱墊，并與有空氣隔熱墊的情況下，電池包在低溫保溫工況下的熱仿真進行對比;（3）在進口加熱工質溫度30 ℃和40 ℃的情況下，對熱仿真結果進行對比。

2 熱仿真分析

2.1 仿真模型選擇及物性參數設置

本文電池加熱模型的換熱類型為液體對流換熱。加熱工質與液冷板間進行對流換熱，液冷板與導熱墊、導熱墊和電池模組之間進行熱傳導，從而對電池模組進行加熱。因此，計算模型選擇的重點之一在于確定加熱工質流動狀態為層流或湍流。在流體力學中，一般規定雷諾數Re小于2 300為層流，大于2 300為湍流。Re的計算公式如式1。

式中，ρ為流體密度，單位kg·m-3;v為流體速度，單位m·s-1;d為流道特征長度，單位m;μ為流體粘性系數，單位kg/（m·s）。

流道特征長度d與流道橫截面有關，若橫截面為圓形，則d為內徑;若橫截面為矩形或可等效為矩形，則d為當量直徑D。假設矩形長度為A，寬度為B，則計算公式如式2。

某項目中流道橫截面可等效為矩形，寬度為4 mm，長度為22 mm，流體流量為10 L·min-1，加熱工質采用50%的乙二醇水溶液，其物性參數如表2所示。根據以上計算，在本項目加熱工質中，Re約為11 000，遠大于2 300，呈現湍流特征。湍流的計算模型通常選擇k-ε模型。因為分子間粘性阻力較小，該加熱工質收斂速度快[6]。加熱工質模型選擇三維、恒密度、隱式非定常、湍流、k-ε湍流、分離流、分離液體溫度、重力、單元質量等參數進行校正，進口邊界條件為質量流量入口，出口邊界條件為壓力出口。

模組可視作1個單元參與熱交換，其模型選擇三維、固體、恒密度、隱式非定常、分離固體能量、單元質量等參數進行校正，與液冷板一致，兩者的具體物性參數如表2所示。

2.2 傳熱路徑分析及優化

在低溫工況下，模組（電芯）散熱速度快且散熱量大，因此有必要分析模組的傳熱路徑。針對其主要傳熱路徑，技術人員進行了路徑優化，以增強其在低溫工況下的加熱和保溫性能。模組主要與空氣、側面端板和下方導熱墊接觸傳熱。由于導熱墊厚度小且導熱系數高，其側面散熱量與上下端散熱量相比可忽略不計，因此模組至導熱墊的散熱路徑可基本等效為模組至液冷板。作為加熱主體的液冷板的散熱路徑為上方空氣、側端箱體和下端隔熱墊。

在無隔斷方案下，技術人員進行了在低溫慢充工況下的電池包熱仿真分析。整個過程中的模組和液冷板的散熱功率如表3所示?？梢钥闯?，模組的散熱功率共188.2 W，其中73%的散熱量從液冷板路徑傳出，25%的散熱量傳熱至空氣，端板處的散熱可忽略不計。在液冷板散熱路徑上，箱體散熱最多，占比53%;隔熱墊雖與液冷板接觸面積最大，但由于熱阻遠高于箱體，此路徑散熱量僅占比29%。因此，若在液冷板側面與箱體間增加1層保溫材料（隔斷），增大此路徑熱阻，或可有效降低模組的散熱性能。增加隔斷后的散熱路徑分析如圖2所示。在增加隔斷后，液冷板與箱體間的散熱功率顯著降低，從53%降至45%，總的液冷板散熱功率從152.4 W降至132.1 W?？梢?，液冷板的散熱得到有效控制。在散熱路徑得到優化后，模組總體的散熱功率從188.2 W降至178.5 W，降低了5.2%，模組散熱得到了控制。如圖2所示，在增加隔斷后，在低溫慢充狀態下，電池包的25個模組平均溫升速率從45 ℃/h升至49.3 ℃/h，電芯間最大溫差從8.7 ℃降至7.6 ℃，低溫工況下的熱性能得到提升。

2.3 不同流道走勢下的電池包溫度分布及優化

電池包熱管理系統設計的重點之一在于液冷板流道走勢的設計。流道走勢的不同將大大影響模組的溫

度分布及電芯間的最大溫差。液冷板中3種不同的流道走勢如圖3所示。在a方案中，加熱工質從中間流入，兩側流出;在b方案中，加熱工質從左側流入，右側流出;在c方案中，加熱工質從兩側流入，中間流出。首先考察3種方案流道走勢的系統壓降與流量均一性。流量均一性指的是每個電芯底部液冷板內通過的流量一致程度，流量均一性高可有效降低電池包內最大溫差。以c方案為例，在環境25 ℃時系統壓降為17.9 kPa，遠小于項目要求的60.0 kPa，滿足設計要求。技術人員在c方案中選取上下各4個截面，根據截面通過的電芯數量平均分配總流量，得出目標流量，并與該截面的仿真流量結果進行對比（表4）。由表4可以看出，8個截面仿真結果與目標流量間偏差均不大于10%。這表明流量均一性較高，符合設計需求。

3種方案的低溫加熱仿真結果顯示：a方案整包最低溫度為-9 ℃;b方案整包最低溫度為0 ℃;c方案整包最低溫度為6 ℃。由此可見，c方案的低溫加熱效果最佳。另外，從模組上的溫感采集數據顯示：a方案模組最大溫差為16.8 ℃，b方案模組最大溫差為13.4 ℃，c方案模組的最大溫差最小，為8.3 ℃。這與理論計算結果一致，原因是兩側邊界熱阻最低，中間熱阻最高。a方案的加熱工質從中間流入，熱量經模組交換后加熱工質流至邊界，從邊界流經最長距離后至出水口，如此熱損失與溫差最大，而c方案的流向則與a方案的相反，溫差最小。

綜上所述，c方案流道走勢低溫加熱效果最佳，壓降與流量均一性均能滿足設計需求，因此選用該方案。

2.4 不同保溫系數在低溫保溫工況下的對比

液冷板與箱體底板間有1層厚度為2.3 mm、導熱系數為0.030 W/（m·K）的隔熱墊。考慮到空氣的導熱系數為0.023 W/（m·K），比隔熱墊保溫效果更佳，且能節省成本，減少質量，因此有必要取消隔熱墊后進行低溫保溫工況下的仿真對比。25個模組的溫度檢測如圖4所示。從圖4可以看出，空氣的平均溫度降速為2.3 ℃/h，小于隔熱墊的平均溫度降速（3 ℃/h），而兩者的電芯最大溫差均為8.5 ℃。可見，空氣隔熱的低溫保溫效果更佳，并且選用空氣隔熱還能達到減質降本的效果。

2.5 不同進口加熱工質溫度的低溫熱性能分析

在理論上，進口加熱工質溫度越高，低溫加熱效果越好。但由于溫度越高與周圍環境溫差越大，散熱更快，電池包內電芯最大溫差有升高的風險，并且能耗更高。為了選擇合適的進口加熱工質溫度，本文比較了進口溫度分別在30 ℃和40 ℃時，低溫加熱模組溫度的溫差與極值，如圖5所示。在30 ℃時，模組最低溫度為1.0 ℃，最高溫度為13.3 ℃，全程最大溫差為12.8 ℃，平均溫升速率為21.0 ℃/h。在40 ℃時，最低溫度為7.5 ℃，最高溫度為19.4 ℃，全程最大溫差為11.9 ℃，平均溫升速率為29.3 ℃/h，相對溫升速率提高了39.5%，最大溫差降低了0.9 ℃，且模組整體溫度升高約6.0 ℃。

3 臺架及整車試驗

技術人員確定了最優的熱管理方案，即增加液冷板側端與箱體間隔斷、最優的流道走勢方案、液冷板與箱體間取消隔熱墊，選用進口加熱工質溫度為40 ℃。仿真數據顯示，此方案在低溫工況熱性能得到有效提升。由于仿真數據往往與實際試驗存在一定偏差，因此技術人員將其與低溫狀況下的整包臺架試驗與整車試驗結果進行了對比。

3.1 臺架試驗

在臺架試驗時，技術人員將電池包置于木箱內，再將木箱放置于環境倉進行試驗。木箱能夠避免環境倉中的循環風影響，保持電池包表面自然對流的狀態。環境倉溫度為-20 ℃，流體入口溫度為40 ℃，空氣流量為10 L·min-1，電芯不充電。圖6示出了整包臺架試驗時的32個負溫度系數熱敏電阻溫度傳感器（NTC）溫感采集溫度分布。技術人員將25個NTC布置在模組正面，其中12個位于模組正中心，13個位于模組邊上，另外有7個NTC布置在模組底部。此布置方案可捕捉到電芯最大溫差。由于底部有液冷系統加熱，底部溫感溫度相對于頂面較高。底部溫度最高處在頂面溫度最高處，位于a1處，溫度為30.9 ℃。這是因為此模組距離進水口最近，加熱工質熱損失最小。最低溫度位于d1處，溫度為18.3 ℃，底面最大溫差為12.6 ℃。此外，隨著加熱工質從兩側流入，a1、b1、c1的底面溫度溫差僅為1.7 ℃，而c1與d1的底面溫差為10.9 ℃。由此可見，c1與d1的流道路徑上散熱極大。在頂面上，a2的溫度最高，為16.1 ℃;a4溫度最低，為7.5 ℃。這是由于a4距離流道出口處最近，頂面最大溫差為8.6 ℃，滿足設計需求。

3.2 整車試驗

在整車試驗時，荷電狀態（SOC）和平均電芯溫度如圖7所示。整車總試驗時間為86 min，行車分為3段。第1段從0 min至60 min，SOC從100%線性降低至62.6%，電芯平均溫度從-16.6 ℃線性升至-1.2 ℃，平均溫升速率為15.0 ℃/h。第2段從60 min至72 min，SOC從62.6%線性降低至38.5%，電芯平均溫度從-1.2 ℃升至14.0 ℃，平均溫升速率為76.0 ℃/h。第3段從72 min至85 min，SOC和電芯平均溫度基本保持不變。在前72 min整車運行過程中，平均溫升速率為25.5 ℃/h，滿足設計需求。表5示出了整車試驗時電芯內部溫升數據。從表5可以看出，電芯最大溫差不超過2.2 ℃，基本滿足設計需求。

4 結論

由于某項目的液冷一體化電池包在低溫工況下的熱性能表現較差，本文利用仿真工具針對其熱管理系統的傳熱路徑、流道、保溫系數，以及進口工質溫度進行了優化，得到以下結論。

（1）一體化液冷板作為加熱的主體，在低溫慢充工況下，有53%熱量從側端處至箱體傳出。在此傳熱路徑上增加隔斷，散熱功率降低了9%，模組總體散熱功率降低了5%。

（2）流道走勢設計選擇兩邊流入中間流出的方式，其低溫加熱效果最佳。模組整體溫度最高，溫差最小。由于空氣的導熱系數較隔熱墊低，其低溫保溫效果更好，平均溫降速率相對降低了23%。與進口工質水溫在30 ℃時相比，在40 ℃時，模組溫度提高了約6.0 ℃，平均溫升速率提高了39.5%。

最后，技術人員進行了臺架和整車試驗驗證，試驗結果與仿真結果一致性較高。因此，此研究可以應用于一體化液冷板的電池包熱管理設計優化，對于電池熱行為的研究具有重要指導意義。

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