雙層模組動力電池包熱管理設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李 斌 ，游道亮 ，湯桃峰

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

0 引言

某SUV動力電池包采用雙層模組設(shè)計(jì)，其中上層模組安裝結(jié)構(gòu)采用冷卻板與支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。安裝形式Z方向從上往下依次是：上層模組→上層冷卻板→變截面支架→下層模組→托盤橫梁，如圖1所示。如圖2所示，冷卻板采用擠壓鋁型材工藝，中間有口琴式分布肋，起加強(qiáng)筋和均分流場的作用。模組和冷卻板之間安裝導(dǎo)熱墊保證有效傳熱。

圖1 雙層模組集成化設(shè)計(jì)

圖2 上層冷卻板內(nèi)部流道與支架

為保證在各種復(fù)雜工況中電池包充放電性能具備良好的一致性，電池包熱管理設(shè)計(jì)溫差應(yīng)小于5℃[1]。由此制作樣件裝配電池包，搭建測試臺架進(jìn)行熱管理性能DV驗(yàn)證。將電池包置于43 ℃恒溫箱，連接充放電設(shè)備進(jìn)行直流充放電，同時連接液冷臺架（流量15 L/min，水溫18 ℃）對電池包進(jìn)行冷卻。測試數(shù)據(jù)顯示，模組溫差8 ℃，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求的5 ℃，如圖3所示。

圖3 22個模組溫度分布

測試數(shù)據(jù)顯示最高溫度與最低溫度分布位置具有明顯的對稱性，電池包共22個模組，1～9號和20～22號12個模組為單層模組，10～14號為雙層模組的上層模組，15～19號為雙層模組的下層模組，模組編號方式如圖4所示?？梢钥闯鲆?5 ℃為中心線，單層模組的溫差都在±1 ℃，而雙層模組的上層模組高于中心線，處于上偏差，最高高于中心線3 ℃；下層模組低于中心線，處于下偏差，最低低于中心5℃，由此導(dǎo)致了整包模組溫差達(dá)到8 ℃。

圖4 模組編號示意圖

1 溫差過大原因分析

從溫度分布來看，上層模組冷卻不足，下層模組過冷。上層模組過熱，可能是傳熱受阻[2]，導(dǎo)熱墊貼合度差，傳熱效率低，導(dǎo)致上層模組熱量聚集，出現(xiàn)過熱。同時，在雙層模組的設(shè)計(jì)中，上層冷卻板作為承重支架安裝在下層模組的側(cè)板上，下層模組的熱能除了向下傳遞到下層冷卻板之外，額外增加一條傳熱路徑：模組側(cè)板→支架→上層冷卻板，雖然傳熱路徑相對向下層冷卻板較長，但在上層模組無法有效傳熱至上層冷卻板時，上層冷卻板溫度較低，增加了傳熱溫差梯度，導(dǎo)致下層模組傳遞了更多的熱能，導(dǎo)致過冷。

為分析溫差一致性差的原因，在雙層模組的傳熱路徑布置NTC溫度傳感器[3]，測試溫度分布。如圖5所示，溫度傳感器布置方案共布置26個傳感器、檢測模組、支架以及冷卻板。

圖5 溫度傳感器布置方案

如圖6所示，外置溫度傳感器數(shù)據(jù)顯示，從上層冷卻板到支架再到下層模組端板，溫度依次增加，表明下層模組通過端板傳熱到上層冷卻板確實(shí)存在（AUX_T13表示第13號溫度傳感器溫度數(shù)值）。

圖6 外置溫度傳感器溫度分布

由此推測溫差大的直接原因是上層模組與導(dǎo)熱墊接觸不佳，導(dǎo)致電芯至熱板的熱阻增加，無法有效散熱。為進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論，將電池包進(jìn)行拆解，觀察模組底部貼合情況。如圖7所示，上側(cè)圖片是上層模組導(dǎo)熱墊壓印情況，下側(cè)圖片為上層模組底部導(dǎo)熱墊接觸印記展示，導(dǎo)熱墊除兩端有褶皺外，中間較大區(qū)域表面光滑規(guī)則，模組靠端板兩側(cè)有導(dǎo)熱墊硅油壓印痕跡，中間大面積無壓印痕跡，表明模組約有50%面積未壓印到導(dǎo)熱墊上，導(dǎo)致熱阻增加，溫差擴(kuò)大。

圖7 模組與導(dǎo)熱墊貼合情況

2 理論解析

導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱性能通常與壓合狀態(tài)強(qiáng)相關(guān)，壓縮力越大，壓合狀態(tài)越好，導(dǎo)熱系數(shù)越高，反之，壓縮力小甚至未壓合到位，導(dǎo)熱系數(shù)低，接觸熱阻大，不能起到良好的傳熱作用，電池會在充放電過程中出現(xiàn)熱量蓄積，進(jìn)而出現(xiàn)過溫、溫差大等問題。

然而，導(dǎo)熱墊壓縮率受模組底部承壓力限制，過大的壓應(yīng)力會導(dǎo)致模組內(nèi)部電芯形變，影響電芯安全。因此，合理的壓應(yīng)力是上層模組傳熱設(shè)計(jì)重點(diǎn)。模組通過端板橫跨安裝在冷卻板的兩側(cè)，冷卻板內(nèi)側(cè)有大面積凹槽，用來安裝導(dǎo)熱墊，模組電芯底部壓合在導(dǎo)熱墊上，由此組成從電芯到導(dǎo)熱墊到冷卻板，再從冷卻板流到冷卻液的導(dǎo)熱路徑。如圖8所示，在導(dǎo)熱墊壓縮前厚度固定的情況下，模組底部到冷卻板凹槽的距離決定了導(dǎo)熱墊壓縮率，也就決定了壓應(yīng)力，這個距離被稱為冷卻板貼合面深度。

圖8 模組與冷卻板壓縮貼合導(dǎo)熱墊示意圖

理論上，上層模組傳熱設(shè)計(jì)為保證電芯底部承壓力安全，以最大承壓力反推導(dǎo)熱墊的壓應(yīng)力，根據(jù)導(dǎo)熱墊的壓應(yīng)力-導(dǎo)熱系數(shù)曲線選型導(dǎo)熱墊，選好導(dǎo)熱墊厚度后即確定了貼合面深度。該電池包上層冷卻板的疊合面深度設(shè)計(jì)為1.2 mm；推導(dǎo)過程如下：模組底部層壓力需小于等于2 000 N。

式中：F為模組最大承受力+模組重力；A為模組底部導(dǎo)熱墊接觸面積；P為壓強(qiáng)。

導(dǎo)熱墊壓縮應(yīng)力參數(shù)如表1所示，測試樣品規(guī)格為Φ29 mm×2 mm。

表1 導(dǎo)熱墊壓縮應(yīng)力參數(shù)

式中：f為壓縮應(yīng)力；P為測試壓強(qiáng)；a為樣件面積。

因此，根據(jù)應(yīng)力參數(shù)可知導(dǎo)熱墊最大可允許變形量為27.5%；導(dǎo)熱墊原始厚度2 mm，因此壓縮后的厚度為1.45 mm；為保有余量，選型導(dǎo)熱墊壓縮后尺寸為1.5 mm。

由此得出冷卻板貼合面深度：

式中，H為導(dǎo)熱墊壓縮后高度；d為模組底部冷卻面到端板安裝面距離（簡稱模組安裝高度）。

基于RSS法計(jì)算尺寸鏈[4-6]、封閉環(huán)，如表2所示，導(dǎo)熱墊壓縮量為0.5 mm，基本覆蓋公差范圍為0.58 mm；因此推測出現(xiàn)電芯底部大面積未貼合的原因有二：

表2 理論尺寸鏈計(jì)算

1）尺寸鏈計(jì)算有遺漏或者偏差，未形成閉環(huán)。

2）樣件公差較大，未達(dá)到公差設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致超差較多。

該電池包的單層模組以及雙層結(jié)構(gòu)的下層模組冷卻采用的是口琴管懸浮式安裝，口琴管底部粘有支撐泡棉，為保證支撐力，泡棉設(shè)計(jì)過程中同樣會考慮壓縮應(yīng)力以及壓縮率的問題，因此在計(jì)算尺寸鏈時會考慮支撐墊的形變。而上層模組冷卻板作為剛性零件，并且模組安裝受力點(diǎn)在兩側(cè)，所以理論上安裝導(dǎo)熱墊導(dǎo)致的冷卻板形變很小可以忽略。如果形變較大，勢必會導(dǎo)致尺寸鏈計(jì)算偏差，因此，針對上層冷卻板進(jìn)行CAE分析[7-8]，分析其在施加47.7 kPa時的形變情況，分析結(jié)果顯示，上層冷卻板中心位置最大形變?yōu)?.529 mm，大于導(dǎo)熱墊壓縮率，如圖9所示。由此計(jì)算實(shí)際尺寸鏈，如表3所示。

圖9 上層冷卻板應(yīng)變云圖

表3 實(shí)際尺寸鏈計(jì)算

在增加冷卻板變形量平均0.25 mm后，尺寸鏈計(jì)算導(dǎo)熱墊壓縮量只有0.25 mm，公差疊加至±0.6 mm，由此導(dǎo)致電芯底部只在變形量小的兩側(cè)貼合到導(dǎo)熱墊，中間近一半位置無法貼合導(dǎo)熱墊，此為上層模組熱阻大，整包溫差大的根本原因。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

優(yōu)化的方向是減小上層冷卻板凹槽深度，冷卻板形變呈對稱V型分布，兩側(cè)形變小，只有0.06 mm，中間大，為0.529 mm，因此優(yōu)化過程中如果直接把冷卻板凹槽深度減少0.25 mm，兩側(cè)導(dǎo)熱墊的壓縮率會超過50%，壓應(yīng)力會超過模組底部的承受力2 000 N，由此，優(yōu)化計(jì)算需要將冷卻板槽深與導(dǎo)熱墊應(yīng)力應(yīng)變、冷卻板的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行耦合迭代，才能計(jì)算出既可以使模組底部全部貼合，也不超過電芯底部承受力限制的最優(yōu)尺寸，耦合計(jì)算方式[9-10]如圖10所示，使用工具為Simulink。計(jì)算顯示冷卻板凹槽深度設(shè)計(jì)為1.05 mm可滿足模組底部承受力，也可以滿足導(dǎo)熱墊壓縮量覆蓋公差，此時電芯底部承受力為2 012 N，考慮到導(dǎo)熱墊壓縮外溢，超出12 N認(rèn)為是可接受范圍。優(yōu)化后計(jì)算尺寸鏈，如表4所示。

圖10 導(dǎo)熱墊與冷卻板應(yīng)力應(yīng)變耦合計(jì)算

表4 優(yōu)化后的尺寸鏈計(jì)算

將優(yōu)化后的上層冷卻板設(shè)計(jì)制作樣件后裝配至電池包，上層模組安裝后1 h后再拆除，觀察電芯底部壓合導(dǎo)熱墊情況，如圖11所示。可以看出模組底部油印覆蓋率90%以上，導(dǎo)熱墊整體壓印褶皺明顯，表明優(yōu)化后設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱墊貼合較好。

圖11 優(yōu)化后導(dǎo)熱墊壓合情況良好

將優(yōu)化好的冷卻板裝包搭建臺架重新測試，測試工況電流與電池包最高最低溫度如圖12所示。測試結(jié)果顯示溫差控制在5 ℃以內(nèi)，如圖13所示。電池包經(jīng)過振動測試與耐久測試，模組完好無損傷，模組底部承壓力未超限值，上層冷卻板優(yōu)化導(dǎo)熱墊貼合面，貼合面深度優(yōu)化至1.05 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

圖12 測試工況電流與電池包最高最低溫度

圖13 溫差變化曲線

4 結(jié)論

雙層模組動力電池包熱管理的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)大，容易出現(xiàn)溫差大的問題。原因在于雙層冷卻板設(shè)計(jì)需要考慮上層冷卻板剛性形變，導(dǎo)致上層冷卻板導(dǎo)熱墊貼合面深度超差，上層模組熱阻增加，熱量聚集，同時下層模組通過支架向上層冷卻板產(chǎn)生額外傳熱，產(chǎn)生過冷現(xiàn)象。

本研究通過尺寸鏈與CAE分析，將尺寸鏈閉環(huán)中導(dǎo)熱墊產(chǎn)生的形變、冷卻板的形變與電芯底部承受力限值進(jìn)行耦合計(jì)算，校核出最優(yōu)尺寸邊界（上層冷卻板貼合面深度從1.2 mm優(yōu)化至1.05 mm），將電池包溫差控制在5 ℃以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

工程傳熱設(shè)計(jì)中，0.1 mm的差距就可能是接觸與無法接觸的差別，無法有效接觸的情況下增加的接觸熱阻會導(dǎo)致電芯熱量蓄積，最終導(dǎo)致電池包溫差增大，那么在工程應(yīng)用中有限的成本對應(yīng)的有限公差控制情況下，每縮小0.1 mm的工程意味著巨大的成本，因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)才是最經(jīng)濟(jì)可行的方法。在研究的過程中，尺寸鏈與CAE、Simulink多工具耦合的設(shè)計(jì)校核方法可以有效運(yùn)用于復(fù)雜傳熱設(shè)計(jì)，掌握該方法可以高效提供設(shè)計(jì)方案，減少驗(yàn)證費(fèi)用，按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該電池包的溫度一致性優(yōu)化需要嘗試多種冷卻板貼合面深度，然后重復(fù)熱管理性能測試以及振動耐久測試，最少額外耗費(fèi)50萬元驗(yàn)證費(fèi)用，額外增加開發(fā)時間至少60 d。因此，多工具耦合設(shè)計(jì)校核方法是經(jīng)濟(jì)高效的傳熱設(shè)計(jì)方法。