電動(dòng)車動(dòng)力鋰離子電池水冷系統(tǒng)研究

張浩，羅志民，宋韓龍，張福增

（天津力神動(dòng)力電池系統(tǒng)有限公司，天津 300384）

電動(dòng)車動(dòng)力鋰離子電池水冷系統(tǒng)研究

張浩，羅志民，宋韓龍，張福增

（天津力神動(dòng)力電池系統(tǒng)有限公司，天津 300384）

針對(duì)純電動(dòng)車動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套液冷系統(tǒng)，計(jì)算了電池系統(tǒng)發(fā)熱功率，并根據(jù)發(fā)熱功率設(shè)計(jì)出了水冷板結(jié)構(gòu)，并根據(jù)電池發(fā)熱功率及水冷板結(jié)構(gòu)計(jì)算了液冷系統(tǒng)壓力、流量參數(shù)。選取了壓縮機(jī)、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(huán)境對(duì)電池系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，水冷系統(tǒng)效果明顯，可以在高溫環(huán)境下，電池系統(tǒng)在高倍率放電時(shí)把電芯溫度控制在35℃內(nèi)，保證電池系統(tǒng)安全運(yùn)行。

動(dòng)力電池；液冷系統(tǒng)；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(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，對(duì)動(dòng)力電池的要求越來(lái)越高，為保證電池系統(tǒng)安全，對(duì)電池系統(tǒng)熱管理提出了更高的要求，在高功率應(yīng)用時(shí)能夠控制電池系統(tǒng)在最佳溫度范圍內(nèi)，且國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求箱體滿足IP67，這時(shí)傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足需要，因此急需新的熱管理方式，且在國(guó)外電動(dòng)汽車領(lǐng)域已有成熟的液冷應(yīng)用技術(shù)，為滿足未開(kāi)市場(chǎng)需求，提高自身產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，我們也需要開(kāi)展液冷技術(shù)研究，并逐步使我們的液冷技術(shù)成熟應(yīng)用。

基于液體熱交換的冷卻系統(tǒng)比空氣系統(tǒng)效率更高，電動(dòng)汽車電池組內(nèi)部溫度更均勻，但是系統(tǒng)更復(fù)雜。例如從電池到液相的熱轉(zhuǎn)換，可以將金屬膠合在容器壁上或嵌入容器壁來(lái)完成。同樣，整個(gè)熱轉(zhuǎn)換可以利用電池極柱的高熱傳導(dǎo)性，來(lái)冷卻或加熱來(lái)保持溫度。采用液體介質(zhì)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(zhì)中，來(lái)實(shí)現(xiàn)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(zhì)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(zhì)，并采用絕緣措施避免發(fā)生短路，在模塊壁和傳熱介質(zhì)之間的傳熱速率取決于液體的熱導(dǎo)率、黏度、密度和流動(dòng)速度等。在相同流速下，大多數(shù)直接接觸式流體（如礦物油）傳熱速率遠(yuǎn)高于空氣，因?yàn)槠溆斜容^薄的邊界層和較高的熱導(dǎo)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(shù)比空氣僅高出1.5～3倍。

表1 風(fēng)冷/水冷對(duì)比

1、水冷系統(tǒng)組成

1.1 水冷機(jī)組組成

本水冷系統(tǒng)布置在電池箱體外部，電池包熱管理系統(tǒng)采用頂置一體式結(jié)構(gòu)形式，此產(chǎn)品包括制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、水路循環(huán)系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過(guò)管道連接至電池包水套預(yù)留進(jìn)液口、出液口，制冷系統(tǒng)由直流變頻壓縮機(jī)、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(guò)濾器、氣液分離器等輔助部件組成，加熱系統(tǒng)包括內(nèi)置水箱式4KW加熱器和控制元件，水路循環(huán)系統(tǒng)包括24V直流水泵，密封式循環(huán)水箱、不銹鋼換熱器、膨脹罐等器件。

圖1 熱管理系統(tǒng)原理圖

制冷原理，電池包熱管理制冷系統(tǒng)采用蒸氣壓縮式制冷原理。當(dāng)給電池組降溫時(shí)，電加熱器不啟動(dòng)。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(jìn)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(huán)系統(tǒng)，電池包出來(lái)的防凍液與板式換熱器另一側(cè)的制冷劑進(jìn)行對(duì)流熱交換，變成冷的防凍液，冷的防凍液再流入水箱，通過(guò)泵與電池組進(jìn)行熱交換變成熱的防凍液，如此往復(fù)，達(dá)到對(duì)電池組降溫的目的。

制熱原理給電池環(huán)境升溫時(shí)，壓縮機(jī)不啟動(dòng)，水箱內(nèi)的電加熱器將防凍液加熱，然后通過(guò)水泵將熱的防凍液泵入電池包內(nèi)，達(dá)到對(duì)電池包加熱的目的。

介質(zhì)選用防凍液（40%的乙二醇和60%的軟水混合成的防凍液，沸點(diǎn)為108℃，冰點(diǎn)為-25℃，防腐蝕、防水垢）作為介質(zhì)，由水泵提供循環(huán)動(dòng)力。膨脹罐為循環(huán)介質(zhì)熱脹冷縮設(shè)計(jì)，循環(huán)介質(zhì)高溫膨脹時(shí)，多余循環(huán)介質(zhì)進(jìn)入膨脹水箱，循環(huán)介質(zhì)低溫收縮時(shí)，補(bǔ)充循環(huán)水箱。溫控系統(tǒng)用于各個(gè)溫度控制點(diǎn)的溫度，包括循環(huán)水箱溫度、電池包回水溫度等?？販叵到y(tǒng)采用PT100鎧裝溫度傳感器進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，并采用PLC控制器作為溫度控制器，對(duì)全系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)控溫。整個(gè)系統(tǒng)采用 CAN通訊與上位機(jī)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。命令對(duì)系統(tǒng)設(shè)定溫度、待機(jī)/運(yùn)行選擇、溫度查詢等功能。

表2 冷卻系統(tǒng)參數(shù)表

1.2 電池箱體內(nèi)部水冷管路

電池箱體內(nèi)部，水冷板布置在電池模組側(cè)面，電芯底部與水冷板接觸，水冷板與電池底部之間采用導(dǎo)熱膠填充，這樣電芯與水冷板充分接觸，減小熱阻，導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱系數(shù)：空氣導(dǎo)熱系數(shù)：0.026W/(m·k)，水冷板內(nèi)部有翅片，這樣會(huì)使水冷板表面溫度均勻，水冷管路在電池箱體內(nèi)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(fā)熱功率計(jì)算方法：

計(jì)算電芯生熱率時(shí)，采用一種基于電池內(nèi)部物質(zhì)發(fā)熱均勻的假設(shè)電池生熱計(jì)算式：

在計(jì)算極柱生熱率時(shí)，由極柱產(chǎn)生的焦耳熱，生熱率計(jì)算公式如下：

式中，Q為極柱發(fā)熱量，V為極柱體積，I為電流，R為極柱內(nèi)阻。極柱內(nèi)阻R的計(jì)算公式為：

式中，l為極柱長(zhǎng)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(jù)電芯的發(fā)熱功率選取合適的冷卻系統(tǒng)壓縮機(jī)功率，并根據(jù)水冷板與電芯間的熱交換系數(shù)，計(jì)算出水冷系統(tǒng)壓力、流量，此系統(tǒng)水冷板流量 2L/min，系統(tǒng)壓力 0.1Mpa，水冷板及管理在箱體內(nèi)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(nèi)管路布置示意圖

2、結(jié)果分析

電池系統(tǒng)在環(huán)境溫度為40℃時(shí)進(jìn)行了0.78C、0.85C、1C充放電循環(huán)，并進(jìn)行了水冷測(cè)試。

圖4 0.78C充放電模組溫度變化圖

圖5 0.78C充放電進(jìn)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(jìn)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(jìn)出水口溫度變化圖

表3 數(shù)據(jù)結(jié)果

環(huán)境溫度為40℃時(shí)，以0.7C充放電，當(dāng)電芯溫度達(dá)到47.8℃時(shí)，開(kāi)啟熱熱管理系統(tǒng)，冷卻液溫度最低恒定在8℃，電芯溫度降低到 37℃時(shí)，平均降溫速率為 0.3℃/min，模組最低與最高溫差在10℃以內(nèi)，進(jìn)出水溫差在5℃以內(nèi)，模組溫差較大。

環(huán)境溫度為40℃時(shí)，以0.85C充放電，當(dāng)電芯溫度達(dá)到47.8℃時(shí)，開(kāi)啟熱熱管理系統(tǒng)，冷卻液溫度最低恒定在8℃，電池系統(tǒng)進(jìn)行三個(gè)充放電循環(huán)，由圖4可見(jiàn)，模組經(jīng)歷了兩個(gè)最高最低溫度循環(huán)，第一個(gè)循環(huán)時(shí)，由47.8℃降低到30℃，降溫速率為 0.2℃/min，第二個(gè)循環(huán)時(shí)，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(dāng)開(kāi)啟冷卻時(shí)，溫差逐漸減小，模組最高溫差在10℃；電池箱體進(jìn)出水口溫差在5℃內(nèi)。

環(huán)境溫度為40℃時(shí)，以1C充放電，當(dāng)電芯溫度達(dá)到47.8℃時(shí)，開(kāi)啟熱熱管理系統(tǒng)，冷卻液溫度最低恒定在 8℃，降溫速率為0.14℃/min，當(dāng)電芯溫度達(dá)到35.8℃時(shí)，溫度不在變化，說(shuō)明電池箱體與水冷系統(tǒng)熱交換達(dá)到了平衡，并且模組溫差較小倍率放電時(shí)有所增大，最大達(dá)到了14℃。

3、結(jié)論

分析了熱管理系統(tǒng)的工作原理，并給出了動(dòng)力電池的發(fā)熱功率計(jì)算公式，選取了主要原件，并設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)參數(shù)，電芯在高溫環(huán)境下高倍率充放電時(shí)，該冷卻系統(tǒng)能夠控制電芯溫度繼續(xù)升高，并能把溫度控制在合理范圍內(nèi)，但電芯在降溫及加熱過(guò)程中存在模組溫差過(guò)大的問(wèn)題，分析原因有：

1）電池系統(tǒng)絕熱措施不夠完善；

2）電池系統(tǒng)內(nèi)水冷管路內(nèi)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(diǎn)布置，盡量在模組的同一位置布置，數(shù)據(jù)比較較為可信。

[1] 郭炳坤.鋰離子電池[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社,2002.

[2] 吳宇平等.鋰離子二次電池[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

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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

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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(dòng)力電池系統(tǒng)有限公司。主要從事電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑胺抡婀ぷ鳌?/p>

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.014