混合動力轎車電池包液冷系統(tǒng)設(shè)計

趙久志，宋軍，張寶鑫，王詩銘，武文杰（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心 新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

?

混合動力轎車電池包液冷系統(tǒng)設(shè)計

趙久志，宋軍，張寶鑫，王詩銘，武文杰
（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心 新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

高效的熱管理系統(tǒng)對控制電池組工作溫度范圍，提升續(xù)駛里程及改善安全性起到至關(guān)重要的作用。本文提出了一種混合動力轎車電池液冷方案，基于整車開發(fā)需求，明確熱管理系統(tǒng)性能目標(biāo)及制冷與加熱部件開啟閥值。利用三維計算流體動力學(xué)數(shù)值計算建立整個液冷板模型，通過數(shù)值分析獲取液冷板內(nèi)速度與壓力等關(guān)鍵參數(shù)分布，最后對電池液冷系統(tǒng)進(jìn)行了試驗測試。結(jié)果表明，該液冷系統(tǒng)設(shè)計方案能夠滿足該混合動力轎車的行駛要求，傳熱效率高，能夠有效控制溫差，保證電池包工作處在最優(yōu)溫度范圍內(nèi)。

液冷；混合動力；電池包；冷卻；數(shù)值模擬

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.009

CLC NO.: U469.7Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-25-04

電動汽車在使用過程中“零排放”和高效率的特點日益突顯其對于減少環(huán)境污染及石油依賴度的重要性，世界各國及主要汽車集團均提出了一系列振興電動汽車產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃[1]。鋰離子電池因具有功率密度高、開路電壓高、自放電低、無記憶、無污染和循環(huán)壽命長等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于電動汽車上。由于各種電化學(xué)變化和物理變化都在鋰離子電池包充放電過程中發(fā)生，會產(chǎn)生大量熱量，如果這些熱量在車輛行駛過程中得不到散發(fā)，則會引起電池包溫度分布不均，最終導(dǎo)致電池組使用壽命降低[2][3]。

1、鋰離子電池?zé)崽匦?/h2>

電池在充放電過程中都會發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生熱反應(yīng)。鋰離子電池包的主要產(chǎn)熱反應(yīng)包括：正極分解、電解液分解、負(fù)極與電解液的反應(yīng)、固體電解質(zhì)界面膜的分解和負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)[4]。由于電池內(nèi)阻的存在，電流通過時，會產(chǎn)生熱量。低溫鋰離子電池主要以電阻產(chǎn)生的焦耳熱為主，這些放熱反應(yīng)是導(dǎo)致電池不安全的因素。電解液的熱安全性也會直接影響著整個鋰電池的電池動力體系的安全性能。實際運行過程中，由于動力系統(tǒng)需要鋰離子電池具備大容量與大倍率放電等特點，高溫增加了運行風(fēng)險，所以，降低鋰離子電池工作溫度，對提升電池性能起到至關(guān)重要的作用[2]。

2、液體冷卻散熱系統(tǒng)

液體冷卻在一般工況下，采用空氣介質(zhì)冷卻即可滿足要求，但在復(fù)雜工況下，液體冷卻需要更有效地散熱介質(zhì)才能達(dá)到電池包的散熱要求。傳熱介質(zhì)和電池模組之間進(jìn)行傳熱的速率主要取決于液體的熱導(dǎo)率、粘度、密度、流動速率及接觸熱阻等。在相同的流速下，空氣的傳熱速率遠(yuǎn)低于直接接觸式流體，這是因為液體邊界層薄，導(dǎo)熱率高。液冷方式的主要優(yōu)點有：與電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻、加熱速度快且體積較小。

主要缺點有：存在漏液的可能、重量相對較大、維修和保養(yǎng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。實驗結(jié)果表明對于并聯(lián)型混合動力車，空氣冷卻是滿足要求的；而純電動汽車和串聯(lián)式混合動力車，液體冷卻效果更好[5]。

3、電池包液冷系統(tǒng)設(shè)計

基于整車對電池包需求，提出電池包熱管理系統(tǒng)性能目標(biāo)，如下表1所示。

表1　熱管理性能目標(biāo)

本文主要介紹一種混合動力液冷電池包，在整車空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，通過并聯(lián)一個回路實現(xiàn)對電池包進(jìn)行冷卻，電池液冷系統(tǒng)主要是由電池包內(nèi)部液冷管，膨脹水壺，熱交換器，水加熱器，水泵及管路等部件組成，其中當(dāng)環(huán)境溫度較低時，需要對電池包進(jìn)行冷卻，通過水加熱器加熱冷卻液，利用水泵作為驅(qū)動部件，實現(xiàn)電池包低溫加熱功能；當(dāng)環(huán)境溫度較高時，利用水泵驅(qū)動冷卻液對電池組進(jìn)行冷卻；當(dāng)電池包溫度持續(xù)上升時，此時開啟熱交換器，能夠快速對電池包進(jìn)行冷卻，電池液冷系統(tǒng)原理圖如下圖1所示。

基于熱管理系統(tǒng)性能目標(biāo)要求，識別不同環(huán)境溫度下電池包冷卻及加熱開啟閥值，如下圖2所示。當(dāng)環(huán)境溫度低于-40℃以下或者環(huán)境溫度高于55℃，電池包均不能工作。

電池包內(nèi)部主要由8個1并12串模組串聯(lián)而成，電池包關(guān)鍵參數(shù)如圖3所示，液冷板布置在電池模組底部，每塊液冷板上部設(shè)計有導(dǎo)熱墊，導(dǎo)熱墊能夠確保模組與液冷板底部接觸良好，能夠及時將熱量帶出，電池包內(nèi)部布置方式如圖4所示。

利用Star-ccm+軟件進(jìn)行模型導(dǎo)入，建立的模型如下圖5所示，電池液冷板模型主要由液冷板與液冷管路組成。

根據(jù)建立的液冷板幾何模型，使用六面體網(wǎng)格及局部加密網(wǎng)格，劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格。利用液冷板穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果，從圖6可以看出液冷板內(nèi)部速度分配均勻；從圖7可以看先液冷板壓降為7.9KPa，系統(tǒng)壓力較小。

從圖6、圖7所示的液冷板速度及壓力分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，液冷管設(shè)計合理，滿足需求。

4、液冷系統(tǒng)試驗驗證

通過搭建液冷系統(tǒng)臺架，如圖8所示，驗證電池包內(nèi)部液冷水道設(shè)計合理性及液冷系統(tǒng)的初步性能，本文主要從以下三個方面加以驗證，常溫加熱、高溫開啟水泵冷卻及開啟熱交換器。

4.1常溫加熱

水泵流量為10L/min，水加熱器功率為950W，環(huán)境溫度為14℃，對電池包進(jìn)行加熱，觀察電池包在常溫狀態(tài)下，電池包內(nèi)部溫度分布情況。

從圖9可以看出，電池起始溫度為最低為15℃，最高為16℃，試驗結(jié)束電池溫度為最低位32℃，最高位36℃，最小溫升 16℃，溫差 4℃；進(jìn)水管與出水管溫度分別為44℃/45℃，溫差為1℃；從圖10可以看出，常溫加熱時，水加熱器表面殼體溫度為15℃，水泵表面溫度同樣為15℃。

4.2高溫冷卻-水泵開啟

水泵流量為10L/min，水泵功率為90W，環(huán)境溫度為14℃，電池包放電倍率為1C即為50A，觀察電池包在常溫狀態(tài)下，電池包內(nèi)部溫度分布情況。

從圖12可以看出，電池起始溫度為最低為31℃，最高位34℃，試驗結(jié)束為最低為31℃，最高位33℃，溫差為2℃，試驗結(jié)果表明只開水泵能夠起到一定冷卻作用。

4.3高溫冷卻-熱交換器開啟

水泵流量為10L/min，水泵功率為90W，環(huán)境溫度為13℃，電池包放電倍率為1C即為50A，觀察電池包在常溫狀態(tài)下，電池包內(nèi)部溫度分布情況。

從圖13可以看出，電池起始溫度最低為32℃，最高為35℃，試驗結(jié)束電池溫度最低為 21℃，電池最高溫度為 23℃，溫差為2℃，熱交換器開啟能夠?qū)㈦姵販囟瓤刂圃谒璺秶畠?nèi)；從圖14可以看出，熱交換器表面溫度最低為10.2℃；從圖15可以看出，模組表面塑料件的溫度高于電池單體極耳位置。

5、結(jié)論

（1）液冷系統(tǒng)效率高，能夠快速對電池組進(jìn)行加熱及冷卻。

（2）通過CFD分析，能夠指導(dǎo)電池包水道設(shè)計，能夠控制電池包溫差。

（3）開啟水泵能夠有效減緩電池包內(nèi)部溫度上升。

（4）開啟熱交換器能夠快速對電池包進(jìn)行冷卻。

[1]李斌,常國峰,林春景,許思傳.車用動力鋰電池產(chǎn)熱機理研究現(xiàn)狀[J].電源技術(shù)，2014(2)：378-381.

[2]陳燕虹,吳偉靜,劉宏偉等.純電動汽車電池箱的熱特性[J].吉林大學(xué)學(xué)報,2014(7)：925-926.

[3]夏順禮,秦李偉,趙久志等.某純電動車型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計分析與驗證[J].汽車工程學(xué)報,2011:5.

[4]BANDHAUER T M; GAR1MELLA S; FULLER T F A critical reviews in electrochemical and solid-state science and technology 2011(3).

[5]陳果 閆仕偉 黃一嶧等.純電動汽車電池?zé)峁芾盹L(fēng)冷與液冷[J].汽車與配件,2014(6)：40-42.

A Hybrid Car Battery Thermal Management of Liquid Cooling System Design

Zhao Jiuzhi,Song Jun,Zhang Baoxin,Wang Shiming,Wu Wenjie
(New energy vehicle academy,Technical Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd,Anhui Hefei 230601)

Efficient thermal management system has a crucial rule in controlling the temperature range of the battery pack,enhancing miles and improving safety.This paper describes the liquid cooling system design of hybrid vehicles,based on the demand of vehicle development,it makes the target of thermal management system and the heating and cooling part opening threshold clear.CFD simulation software is used to build the liquid cooling plate simulation model.Using CFD simulation software establish the battery pack simulation model ,Through this method,the key parameters such as the speed and pressure of the liquid cooling plate,then we test the battery cooling system.Results show that the liquid cooling system can meet the requirements of the hybrid car,high heat transfer efficiency,can effectively control the temperature to ensure battery work in the optimal range.

Liquid; hybrid; cooling; numerical simulation

U469.7

A

1671-7988（2016）08-25-04

趙久志（1983-），男，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，新能源汽車研究院。主要從事電動汽車電池系統(tǒng)的設(shè)計研究。