作者 | 宋名洋，東南（福建）汽車(chē)工業(yè)有限公司汽車(chē)研究院

動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源頭，是保證車(chē)輛正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其性能直接影響車(chē)輛性能。目前，為保證充放電效率、壽命等，電動(dòng)汽車(chē)所采用的電池基本上均為鋰離子電池。鋰離子電池在使用過(guò)程中的熱安全問(wèn)題一直是阻礙電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，電池的性能、壽命、安全性均與自身溫度密切相關(guān)。溫度過(guò)高，會(huì)加快副反應(yīng)的進(jìn)行，增大衰減，甚至引發(fā)安全事故。溫度過(guò)低，電池的功率、容量會(huì)明顯降低。同時(shí)，由于車(chē)輛空間有限，電芯在工作中產(chǎn)生的熱量累積會(huì)造成各處溫度不均勻，從而影響電池各個(gè)電芯的電能均衡性。過(guò)大的差異造成內(nèi)耗，降低電池充放電循環(huán)效率，影響電池的功率和能量發(fā)揮，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致熱失控，影響系統(tǒng)安全性與可靠性。為了使電池包發(fā)揮最佳的性能和壽命，需要對(duì)電池進(jìn)行熱管理，將電池包溫度控制在合理的范圍內(nèi)。為了能有效的控制電池充放電階段電池包溫度的均衡性，整車(chē)企業(yè)需對(duì)電池進(jìn)行熱平衡設(shè)計(jì)，包含電池模在環(huán)境溫度下的電池性能預(yù)測(cè)、冷卻流道設(shè)計(jì)及優(yōu)化、包含周邊部件的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，從而保證電池溫度的熱平衡，電池包溫度過(guò)高時(shí)的有效散熱，低溫條件下的快速加熱；保證電池包溫度場(chǎng)的均勻分布，以及電池散熱系統(tǒng)與其他散熱單元的匹配。電池包的冷卻有風(fēng)冷和液冷兩種方式。研究表明：風(fēng)冷方式易實(shí)現(xiàn)，但電池包溫度梯度變化較大，不利于電池穩(wěn)定工作。通過(guò)冷卻液與空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑進(jìn)行換熱的液冷方式逐漸成為主流。本文采用液冷方式，對(duì)動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用CFD軟件對(duì)電池包進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，使各個(gè)電芯的工作在最佳充放電的溫度范圍，同時(shí)，電芯單體電池間的溫差不超過(guò)5℃。最后，進(jìn)行充放電溫控試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。

1 動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于車(chē)輛產(chǎn)品性能需求，采用了一套通過(guò)冷卻液與空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑進(jìn)行換熱的液冷方案，如圖1所示。該方案一方面可以兼顧多個(gè)系統(tǒng)的相互影響；另一方面可以將動(dòng)力電池冷卻與汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)、電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行耦合，更好的回收和利用車(chē)輛自身能量，從而進(jìn)一步降低整車(chē)的能耗。

液冷散熱設(shè)計(jì)值：液冷系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)目標(biāo)要求在1C充放電熱平衡點(diǎn)≤45℃，在高溫快充等惡劣工況條件下，要求BMS系統(tǒng)管控下超55℃時(shí)間≤3min（TBD），故三塊液冷板總散熱功率由設(shè)計(jì)部門(mén)按照理論計(jì)算值1.8kW（換算為空調(diào)能耗為0.53kW·h）設(shè)計(jì)。液冷系統(tǒng)基于HVAC系統(tǒng)和電池溫度傳感器的信號(hào)對(duì)熱管理系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行判定。當(dāng)電池包有制冷請(qǐng)求，通過(guò)控制壓縮機(jī)、三通閥、膨脹閥以及電池閥實(shí)現(xiàn)控制乘員艙溫度、電池溫度，保證乘員艙的熱舒適性以及電池包在最佳溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，如圖2所示。

根據(jù)純電動(dòng)車(chē)型的總體布置和續(xù)航里程的需求，展開(kāi)電池包的設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)如圖3所示。在前地板的部分，采用單層電池模組布置；在后地板即二排座椅下方，采用雙層電池模組布置。該方案一方面可以充分利用車(chē)輛底板下方的空間；另一方面，更多電量的布置可以有效提升續(xù)航里程。

在電池的冷卻方面，采用三塊液冷板和冷卻管道構(gòu)成整個(gè)冷卻系統(tǒng)。其中，下層的電池模組采用前后兩塊液冷板；上層由于只有并列兩排電池模組，故采用相對(duì)較小的液冷板。通過(guò)管道與液冷板相連，使冷卻系統(tǒng)貫通。具體液冷系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

2 動(dòng)力電池包仿真建模

由于需對(duì)整個(gè)電池包的熱平衡性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，在采用仿真工具建模時(shí)，不僅需要對(duì)車(chē)輛的電池模組、冷卻系統(tǒng)、箱體分別進(jìn)行有限元建模[7]，如圖5所示；還需要對(duì)電池模組進(jìn)行精細(xì)建模，包含構(gòu)成模組的支架、電芯單體、填充棉、導(dǎo)熱片、硅膠墊等，如圖6所示。每個(gè)零件都需按照實(shí)際賦予材料、熱傳導(dǎo)系數(shù)等物理屬性。同時(shí)，為了很好的監(jiān)測(cè)電芯溫度變化，需在每個(gè)模組上設(shè)置溫度探點(diǎn)。

3 液冷系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

為保證在后續(xù)充放電熱平衡分析和評(píng)估中取得良好效果，需先單獨(dú)針對(duì)液冷系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確認(rèn)冷卻液的流動(dòng)和壓力損失是否滿(mǎn)足基本設(shè)計(jì)要求。圖7為液冷系統(tǒng)流道的壓力損失分布情況，因流道靠近入口的距離不同會(huì)導(dǎo)致壓力出現(xiàn)不同的損失，壓力損失最大出現(xiàn)在出口位置。壓力最高為129.89kPa，最低為101.20kPa，最大壓差為28.70kPa，壓差未超過(guò)30kPa，同時(shí)整個(gè)流道壓力分布均衡，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 電池充放電仿真分析

4.1 仿真工況設(shè)定循環(huán)充放電，設(shè)定三個(gè)階段：充電階段、放電階段、再充電階段。在循環(huán)充電過(guò)程中，液冷系統(tǒng)的溫度為15℃，液冷系統(tǒng)冷卻媒介為乙二醇，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，電池散熱主要通過(guò)導(dǎo)熱硅膠熱傳導(dǎo)給液冷板，并最終由冷卻液帶走，仿真過(guò)程換熱材料屬性參數(shù)設(shè)置值如下表1所示。

設(shè)定液體流速為10L/min。同時(shí)，在電池包1C充電時(shí)，電芯發(fā)熱功率2W。

4.1.1 充電階段在常溫環(huán)境下，電池系統(tǒng)的初始溫度26.5℃，不打開(kāi)液冷系統(tǒng)，電池包1C充電；當(dāng)探點(diǎn)位置的溫度升高到36℃后，打開(kāi)液冷系統(tǒng)，并充電3243s；隨后開(kāi)始采取1C至0C降流充電1440s，此時(shí)電芯發(fā)熱功率0.384W；當(dāng)電池包1C至0C降流充電完成后開(kāi)始靜置，此時(shí)液冷系統(tǒng)繼續(xù)流動(dòng)，直到探點(diǎn)最高溫度降低到30℃后關(guān)閉液冷系統(tǒng)繼續(xù)靜置電池包75s。

4.1.2 放電階段當(dāng)靜置完成后，關(guān)閉液冷系統(tǒng)，電池包以1C放電，直到探點(diǎn)最高溫度升高到38℃后，打開(kāi)液冷系統(tǒng)，并使電池包1C繼續(xù)放電，直到電芯放電完成；在放電完成后，保持液冷系統(tǒng)的流通，電池包繼續(xù)靜置240s。

4.1.3 再充電階段當(dāng)電池包放電并靜置完成后，電池包1C充電1800s，保持打開(kāi)液冷系統(tǒng)。

4.2 仿真結(jié)果分析4.2.1 充電階段通過(guò)對(duì)充電階段中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)打開(kāi)液冷系統(tǒng)后并充電到3243s時(shí)。電芯間的溫差最大，達(dá)到了3.5℃，此時(shí)探點(diǎn)溫度最高37.5℃，探點(diǎn)溫度最低34℃。在整個(gè)充電的過(guò)程中，溫度最高并未超過(guò)38℃。電芯與液冷板溫度分布如圖8所示。

4.2.2 放電階段

當(dāng)靜置完成后，電池包開(kāi)始以1C放電，探點(diǎn)溫度持續(xù)上升并最高至38℃后打開(kāi)液冷系統(tǒng)，在此工況下，電芯間的溫差最大，到達(dá)了3.9℃，探點(diǎn)溫度最高37.2℃左右，探點(diǎn)溫度最低33.3℃。由于電芯溫度達(dá)到38℃時(shí)開(kāi)始進(jìn)行液冷，故整個(gè)放電階段電芯的溫度未超過(guò)38℃。放電階段電芯與液冷板溫度分布如圖9所示。

4.2.3 再充電階段

在電池包放電并靜置完成后，電池包開(kāi)始以1C充電1800s，同時(shí)保持液冷系統(tǒng)打開(kāi)，此時(shí)電芯探點(diǎn)溫度最高34.5℃左右，探點(diǎn)溫度最低30.8℃，最大溫差3.7℃。再充電階段的電芯與液冷板溫度分布如圖10所示。

4.2.4 仿真結(jié)果匯總在整個(gè)充放電的過(guò)程中，所有布置探點(diǎn)最大溫差4℃，進(jìn)出口液冷系統(tǒng)溫差最大3℃，總耗時(shí)為10803s。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。所布置探點(diǎn)與出口液冷系統(tǒng)溫度隨時(shí)間變化的曲線如圖11所示。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在充電階段，電池包以1C充電并同時(shí)打開(kāi)液冷系統(tǒng)，冷卻液溫度穩(wěn)定在15℃，在此充電過(guò)程中，電芯的最高溫度38.7℃，溫差為3.5℃，最終SOC為99%；在放電階段，同樣采用1C放電，在冷卻系統(tǒng)的工作下，放電至SOC為0%的過(guò)程中電芯最高溫度為38.4℃，溫差為3.2℃；在再充電階段，電芯的最高溫度為35.5℃，溫差為3.4℃，最終SOC為99%。充放電循環(huán)過(guò)程的溫度與SOC曲線如圖12所示。

電芯的最高溫度控制在39℃以下，最大溫差小于4℃，且溫升特性良好，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并采用仿真手段對(duì)冷卻液的流動(dòng)、電芯溫度的預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)出一個(gè)散熱效果良好的電池包，保證各個(gè)電池模組在最佳的工作溫度范圍工作。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量電池包充放電循環(huán)過(guò)程中的溫度變化，確認(rèn)了設(shè)計(jì)方案能夠有效地對(duì)電池組進(jìn)行冷卻。同時(shí)，有效的運(yùn)用仿真技術(shù)對(duì)電池進(jìn)行熱平衡設(shè)計(jì)具有積極意義。