改進液冷板結構后CTP動力電池包的熱特性

許炳 , 趙榮超

(1.廣汽埃安新能源汽車有限公司，廣東廣州 511434；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640)

電池包是電動汽車的動力源。電池包性能會影響整車續航里程和安全性。在低溫環境下，電池包充放電性能將會顯著下降，導致續航里程減少。電池包熱管理系統具備主動或被動改善電池工作溫度環境條件的功能，可以改善低溫環境下續航里程不足問題[1]。研究改進動力電池包熱管理系統，對推動新能源汽車發展具有重要意義[2]。

電池熱管理系統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、強制通風冷卻、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，為當前電池包采用的主流散熱方式。下文將液體冷卻簡稱為液冷，液體流道式冷卻板簡稱為液冷板。

電動汽車用電池包的液冷板，流道大多采用“口琴管”結構。其存在兩方面缺點：其一是均溫性較差，因為流道方向單一，液冷板與電池接觸面積小，熱阻較大，造成電芯內部溫差大，在大電流充放電及低溫加熱時，對電池性能損害作用大；其二是這種流道結構存在較高的漏液風險，因為口琴管液冷板安裝在電池包內部，無法做到干濕環境隔離，如果冷卻流道密封出現問題，冷卻液會泄露，冷卻液能造成模組電路短路，會引發熱失控事故。安裝在內部的液冷板會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，縮短電動車續航里程。

針對“口琴管”結構液冷板存在的問題，改進CTP(cell to Pack)動力電池包的液冷板流道設計，建立三種不同流道結構的液冷板模型。通過流-熱耦合仿真方法研究了改進的“凸包”、“縱向”和“橫向”流道的三種液冷板結構對CTP 動力電池包低溫加熱及驅動耐久冷卻性能的影響和液冷板結構對動力電池包低溫加熱性能的影響，然后進行臺架實驗，最后結合仿真及實驗結果確定了合理的冷卻板結構參數。

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控制方程及電芯與環境溫度的熱交換兩個部分[3]。

1.1 流道流體流動控制方程

任何流體流動時傳質傳熱過程，均應符合質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[4]。液冷板流道中流場控制方程見式(1)～式(3)。

質量守恒定律，即流體連續方程：

動量守恒定律，即N-S 方程：

能量守恒定律為：

式中：?為拉普拉斯算子；V為速度矢量；p為壓力，Pa；ρ為冷卻液密度，kg/m3；Cp為冷卻液壓力比熱熔，J/(kg·K)；λ為冷卻液導熱系數，W/(m·K)；μ為冷卻液動力黏度系數；E為總能量，J；u、v和w分別為X、Y和Z方向的速度；t為時間，s。

1.2 電芯傳熱

電芯內部熱量傳遞方式可分為熱傳導、熱輻射和熱對流等三種方式。通過熱輻射傳導的熱量與另外兩種方式相比，在總傳熱量中占比很小。為簡化傳熱模型，通常只考慮熱傳導和熱對流。電芯的產熱過程遵守熱量守恒方程：

式中：Qw為電芯總熱量；Qe為電芯和周圍環境發生對流換熱的熱量；Qa為電芯本身吸收的熱量，這部分熱量表現為電芯的溫度變化ΔT。

熱傳導是指電芯內部產生的熱量依靠微觀粒子熱運動向電池壁面傳遞，該過程遵守傅里葉定律：

式中：q1為熱傳導過程中的熱流密度，W/m2；Kn為n向(電池壁面的法線方向)導熱系數，W/(m·K)；?T?n為沿n方向的溫度梯度，K/m；“-”為熱量傳遞指向溫度降低的方向。

熱對流是指傳導到電芯表面的熱量通過環境中流體對流作用來交換熱量，它符合牛頓冷卻方程：

式中：q2為熱流密度，W/m2；hf為對流換熱系數，W/(m2·K)；TS為電芯表面溫度，K；TB為電芯周圍流體溫度，K。

由電芯生熱機理可知，在電芯環境處于常溫時，電芯能及時將自身的熱量釋放出去。但在外界環境變化時，會導致電芯性能改變，其自身生熱同樣發生變化[5]。

電芯熵熱系數對高倍率充放電影響不是很大，只會影響電芯傳熱過程的溫度變化，可以忽略，這為簡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上，然后將模型移至熱仿真軟件中，加載賦值熱傳導模式及參數，進行熱仿真計算和分析。

液冷板由上蓋平板和具有流道結構的下蓋板等兩部分組成，其流道密閉耐壓實驗需滿足2.0×105Pa 以上壓力要求。假設流道截面是矩形，流道過寬，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生鼓脹，這會影響傳熱效果和結構安全。依據設計經驗，液冷板流道寬度不宜超過20 mm，實際應用時還會留有耐壓冗余；流道高度超過4 mm，液冷板的上蓋板過薄，這會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”等三種不同結構方式。這三種結構液冷板見圖1～圖3。三種流道結構，其流道均設置為寬20 mm，高4 mm，上下蓋板厚度1.0 mm。進行三維建模及熱仿真分析。圖4 為CTP 動力電池包示意圖。

圖1 “凸包”流道液冷板三維模型

圖2 “縱向”流道液冷板三維模型

圖3 “橫向”流道液冷板三維模型

圖4 CTP動力電池包示意圖

2.2 網格劃分

在CFD 分析軟件(STAR-CCM+)中進行網格劃分，面網格劃分應保證拓撲幾何不失真，數量為1 063 萬個。在體網格劃分中，冷卻液采用多面體加棱形邊界層網格，其他部件采用多面體網格，數量為813 萬個。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 模型參數與邊界條件

電池包必須通過低溫加熱及驅動耐久實驗，這是整車應用時比較苛刻的工況，能夠真實呈現出液冷板熱管理效能及極限能力。電池包進行仿真時模擬了這兩種工況。電池包為CTP(cell to pack)結構，共有116 只單體電池串聯組成。表1 為仿真時電池包的基本數據。表2 和表3 為仿真時初始邊界條件。圖5為電芯廠提供的驅動耐久工況下電池發熱量數據。

表1 電池包基本信息

表2 低溫加熱仿真邊界條件

表3 驅動耐久仿真邊界條件

圖5 驅動耐久工況下電池的發熱量

表4 為電池包內各部件熱物性參數及邊界條件，電池包內為自然對流散熱，各表面對流換熱系數通常按5 W/(m2·K)設置，邊界換熱溫度按環境溫度設置。

表4 熱物性參數

3 仿真結果與分析

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、電池包的溫度場分布情況。由圖6(a)可知，此時電池包最高溫度為18.6 ℃，出現在M1 區，M1區是模組進水端；最低溫度為5 ℃，出現在M4 區，M4 區是模組出水端。電池包四個分區最大溫差為13.6 ℃。

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

圖6 “凸包”液冷板及電池包溫度場分布

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 ℃，分別出現在進水口處和出水口處，溫差18.8 ℃。

圖7 “縱向”液冷板及電池包溫度場分布

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 ℃，分別出現在進水口處和出水口處，溫差12 ℃。

3.2 驅動耐久工況

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分布情況。由圖9(a)可知，電池包最低溫度34.3 ℃出現在M1 區，M1 是模組進水端；最高溫度36.6 ℃出現在M4 區，M4 是模組出水端。電池包溫差為2.3 ℃。

圖9 “凸包”液冷板及電池包溫度場分布

由圖9(b)可知，液冷板最低溫度為25.0 ℃，出現在進水口處；最高溫度為30.3 ℃，出現在出水口處。隨著液冷板內流動路徑的增長，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分布情況。由圖10(a)可知，此時電池包最低溫度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 ℃，分別出現在進水口處和出水口處，溫差6.5 ℃。

圖10 “縱向”液冷板及電池包溫度場分布

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 ℃，分別出現在進水口處和出水口處。隨著流動路徑的增長，冷卻液溫度不斷升高，溫差4.0 ℃。

圖11 “橫向”液冷板及電池包溫度場分布

3.3 熱仿真結果分析

低溫加熱工況下，三種流道結構的液冷板及電池包熱仿真數據對比見圖12。三種液冷板所需加熱時間和換熱數據見表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，加熱時間63.7 min。與采用“凸包”、“縱向”液冷板的電池包比，加熱時間短，換熱效果好。

圖12 低溫加熱工況三種結構液冷板及電池包熱仿真數據對比

表5 三種液冷板所需加熱時間和換熱數據

驅動耐久工況下，三種流道結構的液冷板及電池包熱仿真數據對比見圖13。三種液冷板所需工作時間和換熱數據見表6。

圖13 驅動耐久工況三種液冷板及電池包熱仿真數據對比

表6 驅動耐久工況下液冷板所需工作時間和換熱功率

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。三種結構液冷板流體均勻性、流程、冷卻工質溫差等參數見表7。

表7 液冷板結構分析

通過對采用不同流道結構液冷板的電池包各工況下溫度場數據的比較分析，發現影響電池包換熱效果的主要因素有兩個：

其一是流道流程長短，這個“流程”特指電芯底部換熱區下面液冷板的流道內，流體流入該區域的起點至流出該區域的終點的距離。流程越長，流道內冷卻工質溫度變化越快，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 向進液方式，調節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，說明其熱管理效果好。

圖14 三種結構液冷板電池包溫度場分布

綜上，橫向流道液冷板結構熱管理性能相對其他兩種方案較為優越，是一種較為理想的液冷板結構。

4 實驗驗證

4.1 低溫加熱臺架實驗

對“橫向”流道液冷板進行低溫加熱臺架實驗，實驗要求與仿真工況相同，流道內流體流量10 L/min。電池包被加熱到規定溫度5 ℃時，用時3 420 s。電池包最高溫度為10 ℃，最大溫差為7 ℃。低溫加熱臺架實驗結果見表8。

表8 電池包低溫加熱臺架實驗結果 ℃

實驗過程中，電池包溫差變化緩慢，未超過7 ℃。這說明采用“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圖15。

圖15 低溫加熱工況電池包溫度變化曲線圖

4.2 驅動耐久工況臺架實驗

對“橫向”流道液冷板進行驅動耐久臺架實驗，實驗要求與仿真工況相同。電池包初始電量為100%，對電池包以規定制度放電。實驗結束電池包電量為1.1%。電池包驅動耐久臺架實驗結果見表9。當驅動耐久實驗結束時，電池包溫度為36.1 ℃。實驗中電池包最高溫度45 ℃，實驗過程中最大溫差為4.0 ℃。

表9 電池包驅動耐久臺架實驗結果 ℃

電池包驅動耐久實驗溫度及溫差變化曲線見圖16。實驗過程中，溫差幾乎沒有變化，說明散熱過程穩定，散熱效果較好。

圖16 電池包驅動耐久實驗溫度及溫差變化曲線

4.3 熱仿真與臺架實驗數據比較

熱仿真與實驗數值對比見表10，低溫加熱工況，電池包最高溫度實驗值比熱仿真值低4.2 ℃；電池包最大溫差實驗值比熱仿真值低2.2 ℃。驅動耐久冷卻工況，電池包最高溫度，實驗值與熱仿真值一致；電池包最大溫差實驗值比熱仿真值高2.5 ℃。

表10 熱仿真與實驗數值對比 ℃

實驗值與熱仿真值之間存在差別主要是由以下幾個方面因素引起的。首先，電池包結構復雜，仿真過程中對電池包結構和被動散熱環境做了簡化；其次，實驗過程中使用溫箱模擬電池包在整車上使用時的溫度環境，這與實際存在一定差別。

電池包低溫加熱工況與驅動耐久冷卻工況的最大溫差實驗值與仿真值基本一致，差值小于3 ℃，數據說明熱仿真是有效和可信的。

5 結論

針對CTP 動力電池包傳統“口琴管”液冷板存在的問題與缺陷，做了液冷板流道的設計改進。結合改進的“凸包”、“縱向”和“橫向”流道液冷板結構，建立三維流-熱耦合電池包仿真模型。通過仿真得到電池包兩種工況下相關特征溫度。用臺架實驗對仿真優化后的“橫向”液冷板電池包散熱有效性進行了驗證。

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，其低溫加熱及驅動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 ℃；所需加熱時間也少了，分別少用16.9 和8.7 min。在驅動耐久冷卻工況，將采用三種液冷板電池包最大溫差相比較后，發現“橫向”比“縱向”和“凸包”分別低1.6 和0.8 ℃。

依據熱仿真優化結果，加工研制了“橫向”液冷板，“橫向”液冷板裝在CTP 電池包上進行臺架實驗。實驗中電池包最大溫差低溫加熱工況下為7 ℃，驅動耐久冷卻工況下為4 ℃。數據說明“橫向”液冷板傳熱性能優異，電池包熱管理效果良好，改進設計是合理有效的。