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技術(shù)│沖壓式液冷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)案例

2019-03-23 09:28:20·  來(lái)源：中國(guó)汽研  
　
沖壓式液冷板是靠壓力機(jī)和模具對(duì)板材施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形形成所需流道結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)釬焊將液冷板的上下殼體焊接在一起制作而成的。沖壓式液冷板具有流道
沖壓式液冷板是靠壓力機(jī)和模具對(duì)板材施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形形成所需流道結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)釬焊將液冷板的上下殼體焊接在一起制作而成的。沖壓式液冷板具有流道可任意設(shè)計(jì)、接觸面積大、換熱效果好、生產(chǎn)效率高、耐壓與強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)，但由于其需要開(kāi)模，因此成本較高，且對(duì)平整度要求高，安裝難度大。
 
一、設(shè)計(jì)輸入
1．電芯選型
   電芯為方形電芯，其額定容量為42Ah，標(biāo)稱(chēng)電壓為3.65V。
2．標(biāo)準(zhǔn)化模組設(shè)計(jì)
   為了方便進(jìn)行各種類(lèi)型的汽車(chē)電池包能量需求設(shè)計(jì)，就需要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化模組。此次設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化模組的結(jié)構(gòu)為3并10串，能量為4.6KWh。
3．模組的布置
   計(jì)劃整個(gè)PACK能量為55KWh，因此共需12個(gè)模組，360個(gè)電芯，模組采用4X3的布置方式。
4．電池包熱管理設(shè)計(jì)工況
   當(dāng)環(huán)境溫度為40℃，電芯1C放電的平均發(fā)熱功率為5.6W時(shí)，電芯的最高溫度不超過(guò)40℃，電芯的溫降速率不小于0.2℃/min，各電芯之間的最大溫差控制在5℃以?xún)?nèi)；當(dāng)環(huán)境溫度為-5℃，電芯的溫升速率不小于0.3℃/min，各電芯之間的最大溫差控制在8℃以?xún)?nèi)。
5．冷卻與加熱方式
   采用液體冷卻與加熱，液體為50%的去離子水與50%的乙二醇混合液，液體的溫度通過(guò)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)以及PTC進(jìn)行控制。

二、液冷系統(tǒng)布置
    液冷系統(tǒng)采用3并2串的布置方式，一個(gè)液冷板上放置兩個(gè)模組，液冷板中流道區(qū)域應(yīng)覆蓋模組底部以保證最大換熱面積，進(jìn)入液冷系統(tǒng)的冷卻液被分水器分成三路。
 
三、液冷系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)
    液冷板的設(shè)計(jì)思路為：首先根據(jù)電池包箱體的大小以及模組的布置方式確定液冷板的長(zhǎng)度與寬度及其進(jìn)出口的位置；然后根據(jù)電芯在1C放電工況下的發(fā)熱功率，大致計(jì)算出將電芯保持在40℃以下所需帶走的熱量，再通過(guò)熱阻法確定流道尺寸；最后根據(jù)液冷板需要滿足的耐壓與強(qiáng)度要求確定其上殼體與下殼體的厚度。
    根據(jù)液冷系統(tǒng)的布置方式可以看出，冷卻液經(jīng)過(guò)分水器分流后分為三路流入液冷系統(tǒng)，為了保證這三路水的流量相同，就需要在分水器內(nèi)部設(shè)置分流柱。
四、液冷系統(tǒng)仿真
    當(dāng)液冷系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)完成后，就需要對(duì)液冷系統(tǒng)的冷卻與加熱性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在驗(yàn)證液冷系統(tǒng)的冷卻性能之前需要知道電芯在1C放電工況時(shí)的產(chǎn)熱功率隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲得的方法就是對(duì)電芯進(jìn)行絕熱溫升測(cè)試，通過(guò)對(duì)絕熱溫升曲線進(jìn)行多段線性擬合，擬合得到的斜率即為電芯的產(chǎn)熱功率隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。
    在進(jìn)行仿真前需要對(duì)數(shù)模進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后將物性參數(shù)與初始條件輸入仿真軟件。
    當(dāng)環(huán)境溫度為40℃，電芯1C放電工況時(shí)，對(duì)電芯冷卻過(guò)程的仿真結(jié)果如下圖所示?？梢钥闯?，電池模組上表面的最高溫度為30.1℃，最低溫度為28.7℃，電芯之間的最大溫差為1.4℃，電芯的溫降速率為0.21℃/min。
    當(dāng)環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，對(duì)電芯加熱過(guò)程的仿真結(jié)果如下圖所示?？梢钥闯觯姵啬＝M上表面的最高溫度為23.6℃，最低溫度為21.3℃，電芯之間的最大溫差為2.3℃，電芯的溫升速率為0.36℃/min。
    對(duì)液冷系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)仿真，得到液冷板流道內(nèi)流體的流速云圖如下圖所示?？梢钥闯觯豪浒甯髁鞯纼?nèi)流體流速均在0.5~0.6m/s，這說(shuō)明各流道的流量分配均勻，從而使得模組均溫性良好。
五、水泵與水箱選型
    通過(guò)流場(chǎng)仿真可以得出整個(gè)液冷系統(tǒng)的總流阻為32.822KPa，將流阻換算成揚(yáng)程為3.28m，總流量為15L/min，因此通過(guò)揚(yáng)程與流量并對(duì)比水泵的“壓力-流量曲線”即可選出合適的水泵。通過(guò)計(jì)算得到整個(gè)液冷系統(tǒng)的容積為5.18L，而在進(jìn)行水箱選型時(shí)需要留有20%左右的余量，因此水箱的容積定為6L。
六、結(jié)論
對(duì)此案例進(jìn)行總結(jié)得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
1.此液冷系統(tǒng)采用3并2串布置方案；
2.系統(tǒng)總流阻為32.8KPa，水泵選擇為電子水泵P6207（流量為15L/min時(shí)揚(yáng)程為4.8m），水箱容積為6L；
3.系統(tǒng)采用50%去離子水加50%乙二醇為介質(zhì)，流量為15L/min，進(jìn)口溫度為20℃，工況為40℃的環(huán)境溫度與1C放電條件下，其冷卻速率為0.21℃/min,電芯溫度降至30℃左右，說(shuō)明其冷卻性能良好，各流道流速均控制在0.5~0.6m/s，說(shuō)明其均溫性良好；
4.系統(tǒng)采用50%去離子水加50%乙二醇為介質(zhì)，流量為15L/min，進(jìn)口溫度為30℃，工況為-5℃的環(huán)境溫度下，其加熱速率為0.36℃/min，電芯溫度升至22℃左右，說(shuō)明其加熱性能良好。
 
 
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