新型動力電池熱管理系統設計及性能研究

曾祥兵，謝 堃，張 偉，徐俊超，張培根，孫正明

（1.東南大學材料科學與工程學院，江蘇省先進金屬材料高技術研究重點實驗室，南京 211189；2.奇瑞新能源汽車股份有限公司，蕪湖 241000）

前言

隨著社會經濟的日益發展，能源需求進一步提高，尤其是在“雙碳”背景下，新能源技術的呼聲越來越高，發展電動汽車已是大勢所趨。動力電池作為電動汽車的核心部分，其性能和使用壽命直接決定了電動汽車的性能和成本。鋰離子動力電池因壽命長、自放電率低、比功率高、能量密度大和無污染等優點，成為電動車輛主要的選擇。但是鋰離子電池充放電存在一個最優溫度區間，電池充放電時會產生大量的熱量，熱量累積導致電池溫度不斷上升。當電池溫度升高，超出它的允許工作溫度范圍時，會導致充放電能力急劇下降，甚至使放電無法完成，為了保證電池的正常工作，需要采取輔助降溫措施。冬季時，低溫下充電會發生析鋰現象，影響電池的性能和壽命，因此需要對電池進行加熱。通常在電池系統內的模組底部設置一套液冷板，液冷板通過連接管路與循環泵、熱交換器、過水加熱器形成一套循環加熱冷卻系統。當高溫電池需要冷卻時，啟動空調系統和水泵，利用熱交換器對冷卻介質進行降溫，降溫后的冷卻介質流經電池包內部，與模組進行熱量交換，帶走電池的熱量。當低溫電池需要加熱時，啟動水泵和過水加熱器，加熱后的冷卻介質循環通過液冷板，對電池進行加熱。

當前電池廠家采用的液冷板主要有兩種結構形式。一種是微通道管，采用鋁合金多孔扁管，兩端與匯集管釬焊連接。這種結構質量較輕，但自身剛度不高，需要結構件的支撐，才能使扁管壓緊模組的底部，以保證良好的導熱。另一種是雙層沖壓板結構，上層為平面鋁板，下層為鋁板沖壓流道結構，上下層鋁板通過高溫釬焊連接。這種結構的流道設計比較自由，并能很好地適應電池包內不規則的模組排布。

然而，無論是采用微通道管或者沖壓板結構，流道成型均需采用釬焊工藝，且焊接面積較大、焊接部位較多，存在一定的泄漏隱患。且由于液冷板布置在電池包內部，一旦液冷板出現冷卻液泄漏，可能造成電池包內部短路甚至起火的風險。另外，大部分液冷方案的支路流道流量的分配是固定的，不能根據模組冷卻需求靈活調節冷卻液的供應，導致分區的冷卻速度不一致，增大了電池系統內部溫差。

為此，本文中提出了一種新型電池液冷系統的設計方案，基于獨立式盤繞鋁管嵌入鋁材基板結構，設計了新的液冷板，其中，鋁板為無焊縫設計，冷卻管路采用特殊工藝嵌入冷板上；同時集成了正溫度系數（positive temperature coefficient，PTC）熱敏模塊，以進行內部加熱，實現了冷熱集成；進一步采用了液冷流量實時分配，使其既能滿足電池系統的快速冷卻和加熱需求，并能根據模組溫度靈活調節各分區的冷卻液的供應，保證各分區電池模組溫度的均勻性。

1 新型冷熱集成系統設計方案

1.1 新型冷熱集成系統介紹

本文中設計的冷熱集成系統如圖1所示。系統由循環泵、換熱器、比例閥、電池包內液冷流道構成循環回路，并設置集成PTC加熱回路。循環泵驅動冷卻介質循環流動，冷卻介質在電池包內吸收熱量，經過換熱器釋放熱量。進電池包的液冷管路分為4路，分別對包內4個分區進行冷卻。在電池包外各冷卻管進口設置比例調節閥，充放電運行過程中，根據不同分區的換熱需求，通過比例閥實時調節冷卻介質流量，及時均衡各區域模組之間的溫差。當電池溫度達到設定閾值＞40℃時，水泵和空調系統開始工作，比例閥全部調至80%開度，對各分區模組進行冷卻。當BMS檢測到各區域模組平均溫度之間的差值達到設定閾值即-?-≥3℃時，高溫區域對應比例閥開度增大到100%，低溫區域對應比例閥開度減小到60%，其它區域比例閥開度保持原80%不變。當電池管理系統BMS檢測到各區域模組平均溫度之間的差值達到設定閾值即-?-≤2℃時，所有比例閥開度回調至原開度80%。另外，在冷卻板上集成了PTC加熱條單獨形成加熱回路，根據整包溫度需求，可通過回路電流調節加熱速率。

圖1 電池冷熱集成系統示意圖

根據車輛續航里程要求和給定的包絡空間，電池包模組排布示意如圖2所示。液冷板安裝在模組底部，模組與液冷板之間布置有導熱墊，以填充模組與液冷板之間的空隙，保證與模組底面的良好接觸，以利于熱量的傳導。電池包內的模組劃分為4個冷卻分區，設計相應的液冷板與每個分區的模組相配合。

圖2 電池包模組排布示意圖

1.2 嵌管式液冷板設計

1.2.1 液冷板基材結構設計

液冷板設計為盤繞鋁管嵌入鋁材基板的結構。盤繞鋁管采用整根鋁管彎折成型的擠出管，具備良好的延展性，鋁材基板采用擠壓成型模一體成型。鋁材基板上成型有多個與鋁管的外圓相配合的凹槽結構，以及容納發熱芯片的長方扁孔腔體結構，其截面形狀如圖3所示。鋁管與鋁材基板通過釬焊結合，構成嵌管式液冷板。

圖3 嵌管式液冷板鋁材基板結構截面

1.2.2 鋁管盤繞設計與液冷散熱效果模擬

根據電池包的模組尺寸，單個分區的液冷板尺寸設計成355 mm×1 200 mm。鋁管在鋁材基板的凹槽內進行盤繞構成嵌管式液冷板。冷卻介質溫度沿流程不斷升高，模組溫度沿流道方向也逐漸升高。為此，本文中采取雙向流動流場設計，進液管段與出液管段并行布置，以盡可能縮小液冷板表面的溫差。

為了保證液冷板和冷卻介質之間的傳熱效果，鋁管與鋁板之間應有足夠的接觸傳熱面積，同時為了降低流阻，須對鋁管管長進行控制。本文中選取3種不同直徑的鋁管進行盤繞設計，由于不同的管徑所需的折彎半徑不同，故所能布置的盤管長度也不相同。根據鋁板尺寸和工藝限制，直徑為8、10和12 mm的圓管在鋁材基板上可分別布置12、10和8根直管段，各規格圓管盤繞示意見圖4。

圖4 不同規格鋁管盤繞示意圖

為對比上述3種盤管方案對應條件下的散熱效果和流道阻力，對不同的方案進行了仿真分析。仿真條件如下：環境溫度40℃，根據模組發熱功率，冷板表面設置均勻熱負載，功率為2 369 W/m，冷卻介質物性參數按照50%水+50%乙二醇進行設置，冷卻介質入口溫度為20℃，流量為3 L/min，液冷板與環境進行對流換熱。仿真結果的溫度場云圖如圖5所示。可以看出，3種方案中，8和10 mm的盤管，液冷板溫度場較為均勻，而12 mm盤管，液冷板溫度場均勻性較差，這是由于12 mm盤管方案在液冷板表面可以設置的直管段較少，這一點也可以從表1中看出，直徑為12 mm的盤管在鋁板表面能夠盤繞的長度為8 000 mm，導致散熱效果較差。

圖5 不同規格鋁管盤繞方案液冷板表面溫度場

表1 不同規格圓管盤繞方案對比表

結合表1和圖5可以看出，3種設計方案中，盤管與液冷板的投影接觸面積和質量變化不大。采用方案1時，液冷板的最高溫度和液冷板的平均溫度最低，冷卻效果最好，但是流動阻力高達147.7 kPa；而采用方案2進行盤繞時，液冷板的最高溫度和液冷板的平均溫度略高于方案1，流動阻力下降至34.8 kPa；采用方案3時，盡管液體的流動阻力最小，只有9 kPa，但是液冷板的最高溫度和液冷板的平均溫度大幅高于方案1和方案2，溫度控制和均勻性較差。綜合比較3種方案，方案2冷卻效果和流阻都較適中，因此本文采用了直徑為10 mm的鋁管盤繞作為液冷通道。

1.3 集成加熱系統設計

當前電池系統采用的加熱方式，大多在電池包外的循環管路上串接一只過水加熱器。低溫環境下，啟動循環水泵和過水加熱器，冷卻介質流經電池包內，通過液冷板傳熱提高模組的溫度。但是這種方案須在電池包外單獨布置一個加熱器件，模組的加熱須通過冷卻介質的不斷循環，電池包外循環管路、器件同時被加熱至較高溫度，過程中向外界低溫環境持續散熱，降低了加熱效率并提高了能耗。

本文中將加熱部件集成設計在液冷板上，如圖6所示。根據鋁管在鋁板上的盤繞走向，在兩根相鄰的長直管段中間，近似對稱地布置兩根加熱條，所在位置同時方便加熱條導線的引出。加熱部件采用正溫度系數PTC熱敏電阻，將PTC發熱芯片與絕緣塊間隔排列，上下表面與導電金屬片貼合后，采用絕緣膜進行包裹，再裝進液冷板長方扁腔體內，在壓力機上壓緊成型。這一布置的優點是加熱部件布置在電池包內部，直接通過鋁板向模組傳熱，減少了冷卻介質循環時向外界環境的散熱，加熱效率較高。

圖6 加熱集成液冷板

2 冷熱集成系統冷卻加熱性能

根據上述設計方案裝配了一套電池包，并搭建了液冷測試臺架，如圖7所示，實驗研究了冷熱集成系統的冷卻加熱性能。實驗設備包括：青島美凱麟BPT2?300?600 電 池 總 成 測 試 系 統 ，北 京 凌 工LQMB10K冷水機組，上海百納FR120D分路流量計，江蘇拓米洛TOF?10800EW溫度箱和日置LR8402?21數據記錄儀。

圖7 液冷系統冷卻和加熱實驗系統

2.1 高溫環境冷卻性能

實驗模擬車輛在40℃環境溫度下，快速充電—高速行駛—快速充電—高速行駛的工況，電池包在環境艙內進行充放電，研究電池液冷系統的冷卻和均溫性能。

首先將電池包連接充放電設備，并通過管路連接比例閥和冷水機組；然后置于溫度箱中，溫度箱溫度設置為40℃，靜置12 h以上，直至電池溫度全部達到環境溫度40℃。同時為了使電池模組在初始段具備一定的溫差，首先開啟3、4兩路比例閥，對3、4分區的模組單獨進行冷卻，使此兩區域模組的平均電池溫度降至35℃；而1、2分區模組的平均電池溫度仍保持在40℃，使電池系統在初始狀態即存在5℃左右的溫差。

當電池包達到設置的預定溫度與溫差后，對電池系統進行快充—大功率放電—快充—大功率放電。并開啟冷水機組，設定冷水總流量為10 L/min、溫度25℃的冷卻液對電池系統進行冷卻。為了監測過程中電池溫度的變化，每個模組在模組兩側與電芯兩端極耳焊接的匯流排上布置2個溫度采樣點，并通過BMS記錄溫度變化。實驗結束后，BMS自動計算分區全部模組的平均電池溫度。BMS根據分區的電池平均溫度，自動調節各分區的比例閥開度。各支路流量分配如圖8所示。可以看出，第1階段快充過程中，由于1、2分區溫度較高，系統分配的支路流量為3 L/min左右，而低溫3、4區域的支路流量為1.3 L/min左右。實驗過程各分區電池平均溫度與進出水溫度變化如圖9所示，在30 min的快充過程中，電池電量從30%充至80%，各分區電池平均溫度均上升至45℃左右，且分區電池溫差由初始設置的5℃逐漸減小，直至為0。快充過程結束后，各分區電池平均溫度基本相等，此時BMS再次調節比例閥開度，各支路流量均變化至2.5 L/min左右，并且在后續過程中不再發生明顯變化，而電池系統持續經歷放電、充電、放電過程中，各分區電池平均溫度均基本保持一致。

圖8 各分支流量分配隨時間變化

圖9 充放電過程各分區電池平均溫度變化

上述結果表明，本文中設計的液冷系統可以保證電池系統在高倍率的充放電條件下，電池溫度穩定維持在45℃以下，滿足車輛要求。另外，當電池系統各分區電池平均溫度存在較大溫差時，通過系統設置的自動流量調節功能，可以迅速減小各分區電池間的溫差，并持續維持電池包溫度均衡。

2.2 低溫環境加熱性能

為了對比本文設計的集成加熱與通常采用的電池包PTC外循環加熱性能，針對兩種方案進行了低溫環境下的電池系統加熱對比實驗。實驗對象均為本設計電池包，兩種方案的加熱功率均為3 kW。

本文中設計的集成加熱方案如下。首先將電池包置于環境艙內，在?20℃溫度下保溫24 h以上，至電池系統全部模組溫度達到?20℃。啟動集成在液冷板上的加熱器，當電池包內模組溫度達到可大電流充電溫度時加熱停止。對于PTC外循環加熱方案，通過管路將電池包與循環水泵、過水加熱器、水/制冷劑換熱器連接后，置于環境艙內，在?20℃溫度下保溫24 h以上，至電池系統全部模組溫度達到?20℃。啟動過水加熱器和循環水泵，直至電池包內模組溫度達到可大電流充電溫度時加熱停止。

兩種方案下電池模組加熱過程中的平均溫度的時間歷程曲線如圖10所示。可以看出，同樣的加熱功率條件下，將電池模組從?20℃加熱至15℃，集成加熱方案需要用時92.3 min，而電池包外循環加熱方案用時157.6 min，本方案節省時間65.3 min，加熱耗能減少了41.4%。另外，對于包內加熱出現的電池模組溫差較大的問題，通過控制策略增加對溫差的判別，當電池模組溫差大于設定值時，即啟動水泵循環2?5 min，可快速降低電池溫差，實現電池模組均溫。

圖10 集成加熱與PTC外部循環加熱電池平均溫度隨時間變化曲線

3 結論

本文中提出一種新型冷熱集成動力電池熱管理系統，并對系統的冷卻加熱性能進行了實驗研究，主要結論如下。

（1）采用整根鋁管盤繞與鋁材基板結合的方式，設計并制作了嵌管式液冷板，該液冷板具有流道成型無泄漏隱患、表面溫度均勻、輕量化的優點；

（2）各冷卻管路入口設置比例閥調節進入分區的冷卻液流量，動態適應各分區的冷卻需求，提升了電池包的均溫性能；

（3）集成PTC熱敏電阻加熱系統，實現了分區加熱，且系統熱損耗低，加熱效率高，相對節能41.4%；

（4）高溫和低溫環境下分別研究了該液冷系統的冷卻和加熱性能，結果表明該新型冷熱集成動力電池熱管理系統滿足電池對溫度和均溫性的要求。