本文以純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池包熱管理系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)與傳統(tǒng)電池包換熱板技術(shù)的對(duì)比，設(shè)計(jì)出一套全新的電池包浸沒(méi)式熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用高效絕緣氟化液作為換熱載體，將電池電芯完全浸沒(méi)于氟化液中，通過(guò)對(duì)氟化液的溫度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)與電池包內(nèi)各個(gè)電芯的熱交換。新系統(tǒng)可以從根本上解決電池包內(nèi)部電芯間溫度不均的問(wèn)題，從而使高電壓、大功率超級(jí)快充得以實(shí)現(xiàn)，并直接提升電池包的使用壽命及整車(chē)的續(xù)航里程。最后，通過(guò)系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試對(duì)比浸沒(méi)式系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池包換熱板的性能差異，從而驗(yàn)證新系統(tǒng)的高效性。

關(guān)鍵詞：熱管理系統(tǒng)；電池包；換熱板；浸沒(méi)式；氟化液；超級(jí)快充

作者：田鈞， 高帥

極氪汽車(chē) （寧波杭州灣新區(qū)） 有限公司， 浙江 寧波

純電動(dòng)汽車(chē)的電池包需在理想的工作溫度下才能保證其使用壽命及充放電效率，進(jìn)而保證整車(chē)的續(xù)航里程?，F(xiàn)階段幾乎所有的整車(chē)廠都以冷板換熱的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包的溫度控制。換句話說(shuō)，就是通過(guò)Chiller或PTC部件提供不同溫度的防凍液流入電池包換熱板，通過(guò)換熱板與電池包內(nèi)電芯進(jìn)行熱交換來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包溫度的控制與調(diào)節(jié)。本文基于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，設(shè)計(jì)一種可以對(duì)電池電芯進(jìn)行“全包覆”溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的電池?zé)峁芾矸桨?，為電?dòng)車(chē)超級(jí)快充、提升電池壽命提供更好的熱管理系統(tǒng)，其中電池包內(nèi)部的浸沒(méi)式換熱流道設(shè)計(jì)是本文分析的重點(diǎn)。

01、換熱板式系統(tǒng)

換熱板式系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在換熱板式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，換熱板作為電池包的重要部件，通常是以熱傳導(dǎo)的方式與電池包內(nèi)電芯進(jìn)行熱交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包的升溫及降溫功能。圖1為換熱板式電池?zé)峁芾砑軜?gòu)示意圖。

通過(guò)分析換熱板自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論如何設(shè)計(jì)都必定包含換熱介質(zhì)的進(jìn)水口和出水口。換熱介質(zhì)在換熱板內(nèi)部流動(dòng)與電池電芯接觸換熱，整個(gè)換熱板的表面溫度必定存在高溫及低溫區(qū)域，溫度不均的問(wèn)題顯而易見(jiàn)。換熱板相對(duì)電芯位置和內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

換熱板溫度分布分析

通過(guò)對(duì)換熱板表面溫度均勻性的仿真分析，結(jié)果更加明顯。測(cè)試條件主要包含4個(gè)方面：入口流量1.66L/min、入口溫度15℃、出口溫度17.96℃、出口壓降37Pa。

圖4、圖5分別為冷板溫度場(chǎng)分析圖和電芯上下部溫差示意圖。根據(jù)仿真分析的結(jié)果可以測(cè)試出換熱板表面的最高溫差基本在5~6℃，雖然可以滿(mǎn)足電池包中電芯之間最大溫差不高于8℃的使用要求，卻依舊不是理想的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也很難滿(mǎn)足未來(lái)大功率超級(jí)快充的需求，電芯也將直接影響電池包的使用壽命。

此外，電池包中的電芯是立體結(jié)構(gòu)，本身存在多個(gè)表面，換熱板的傳導(dǎo)式熱交換通常情況下只能與電池單元的1個(gè)面接觸，根本無(wú)法達(dá)到與電池單元全方位、立體化的換熱效果，這也是此類(lèi)設(shè)計(jì)的最大弊端。

02

浸沒(méi)式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

浸沒(méi)式熱管理系統(tǒng)簡(jiǎn)介

針對(duì)換熱板式系統(tǒng)存在的問(wèn)題，如何設(shè)計(jì)一款具備電池單元“全包覆”的熱管理系統(tǒng)就顯得尤為重要和迫切。

在此背景下，浸沒(méi)式電池包熱管理系統(tǒng)孕育而生。浸沒(méi)式電池包熱管理系統(tǒng)就是將電池單元完全浸沒(méi)于耐高壓、絕緣的液體中，使電池單元整體充分與液體進(jìn)行熱交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包的溫度調(diào)節(jié)。

本文使用的高壓絕緣換熱介質(zhì)為氟化液，其具有優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性及適度的溶解性，臭氧消耗潛能值 （ODP） 為0，全球變暖潛能值 （GWP） 大幅降低，減輕了環(huán)境的負(fù)擔(dān)。氟化液參數(shù)見(jiàn)表1。

浸沒(méi)式熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

使用氟化液代替防凍液，去除電池包內(nèi)的換熱板，將電池單元完全浸沒(méi)于氟化液中，通過(guò)Chiller冷卻氟化液為電池單元降溫，然后通過(guò)WPTC加熱氟化液為電池單元升溫。圖6為氟化液熱管理架構(gòu)圖。

為保證電池包中的電池單元可以充分地與氟化液進(jìn)行熱交換，需要為電池單元設(shè)計(jì)一款高效的換熱流道，每個(gè)電芯之間保留5mm的間隙，確保氟化液可以通過(guò)此間隙完成與每一個(gè)電池單元的換熱。電池單元換熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

浸沒(méi)式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)測(cè)試

通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)試電池包浸沒(méi)式熱管理方案與傳統(tǒng)電池?fù)Q熱板方案的差異。本次測(cè)試以電池包快充工況作為測(cè)試條件，由同一Chiller為兩種換熱介質(zhì)提供相同的制冷量，且水泵的功率完全相同。將相同數(shù)量的電池單元分別置于氟化液中及換熱板上，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

測(cè)試前，在每個(gè)電池單元的頂部及中部分別布置1個(gè)溫度傳感器，共計(jì)20個(gè)測(cè)試點(diǎn)，2個(gè)點(diǎn)為1組。圖8為電池單元溫度布點(diǎn)示意圖。

將這組電池單元放置于電池包內(nèi)，并注入氟化液開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試圖如圖9所示。測(cè)試條件有：2C倍率充電且換熱介質(zhì)的流量為550L/h，分別使用氟化液和防凍液進(jìn)行測(cè)試。電池組對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

將每個(gè)電池單元上的2個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)的平均值作為該電池單元的溫度值，溫度曲線如圖10所示。

由圖10可知，傳統(tǒng)使用換熱板對(duì)電池包進(jìn)行熱管理，電池單元間溫差在5~8℃之間，而使用浸沒(méi)式熱管理技術(shù)，可以將電池單元之間的溫差控制在2~3℃。由此可知，浸沒(méi)式電池包熱管理技術(shù)可以使電池單元能更高效地進(jìn)行熱交換，電池包內(nèi)溫度均勻性更好，也能確保電芯的使用壽命及整車(chē)的續(xù)航里程。

03、結(jié)論

綜上所述，浸沒(méi)式熱管理技術(shù)有其無(wú)法比擬的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，尤其是針對(duì)未來(lái)4C，甚至5C的充電倍率，浸沒(méi)式電池包熱管理技術(shù)必將得到更廣泛的應(yīng)用和普及。