改进液冷板结构后CTP动力电池包的热特性

     液冷板结构对新能源汽车动力电池包的温度均匀性具有显著的影响。针对传统“口琴管”液冷板存在均温性差、漏液风险高等不足，改进液冷板设计。通过流-热耦合仿真方法研究了改进的“凸包”、“纵向”和“横向”流道的三种液冷板结构对 CTP 动力电池包低温加热及驱动耐久冷却工况下传热性能的影响，结果表明，采用“横向”流道结构液冷板，在低温加热工况下，电池包最大温差较采用“纵向”和“凸包”流道结构液冷板分别低 7.8 和 4.4 ℃；在驱动耐久冷 却工况下，电池包最大温差较采用“纵向”和“凸包”流道结构液冷板分别低 1.6 和 0.8 ℃。通过台架实验对采用“横向” 流道结构液冷板的电池包进行热工况验证，电池包最大温差在低温加热工况下不高于 7 ℃，在驱动耐久冷却工况下不 高于 4 ℃。这表明“横向”流道结构的液冷板具有良好的热管理性能。

     电池包是电动汽车的动力源。电池包性能会影响整车 续航里程和安全性。在低温环境下，电池包充放电性能将会 显著下降，导致续航里程减少。电池包热管理系统具备主动 或被动改善电池工作温度环境条件的功能，可以改善低温环 境下续航里程不足问题。研究改进动力电池包热管理系 统，对推动新能源汽车发展具有重要意义。

     电池热管理系统主要作用是高温下散热，低温下加热或 者减少散热。散热主要有四种冷却方式，包括空气自然冷 却、强制通风冷却、管道液体冷却及相变材料冷却。其中管 道液体冷却采用流道式液冷板，它有较高冷却效率和较低 制造成本的特点，为当前电池包采用的主流散热方式。下文将 液体冷却简称为液冷，液体流道式冷却板简称为液冷板。

     电动汽车用电池包的液冷板，流道大多采用“口琴管”结 构。其存在两方面缺点：其一是均温性较差，因为流道方向 单一，液冷板与电池接触面积小，热阻较大，造成电芯内部温 差大，在大电流充放电及低温加热时，对电池性能损害作用 大；其二是这种流道结构存在较高的漏液风险，因为口琴管 液冷板安装在电池包内部，无法做到干湿环境隔离，如果冷 却流道密封出现问题，冷却液会泄露，冷却液能造成模组电 路短路，会引发热失控事故。安装在内部的液冷板会占用电 池包有效空间，减少用于电芯安装的空间，使电池包能量减 少，缩短电动车续航里程。

     针对“口琴管”结构液冷板存在的问题，改进 CTP(cell to Pack)动力电池包的液冷板流道设计，建立三种不同流道结构的液冷板模型。通过流-热耦合仿真方法研究了改进的“凸 包”、“纵向”和“横向”流道的三种液冷板结构对 CTP 动力电 池包低温加热及驱动耐久冷却性能的影响和液冷板结构对 动力电池包低温加热性能的影响，然后进行台架实验，最后 结合仿真及实验结果确定了合理的冷却板结构参数。

     液冷板冷却传热模型主要包括流道流体流动控制方程 及电芯与环境温度的热交换两个部分。

     任何流体流动时传质传热过程，均应符合质量守恒定 律、动量守恒定律和能量守恒定律。液冷板流道中流场控 制方程见式(1)~式(3)。

     电芯内部热量传递方式可分为热传导、热辐射和热对流 等三种方式。通过热辐射传导的热量与另外两种方式相比， 在总传热量中占比很小。为简化传热模型，通常只考虑热传 导和热对流。电芯的产热过程遵守热量守恒方程：

     热传导是指电芯内部产生的热量依靠微观粒子热运动 向电池壁面传递，该过程遵守傅里叶定律：

     热对流是指传导到电芯表面的热量通过环境中流体对 流作用来交换热量，它符合牛顿冷却方程：

     由电芯生热机理可知，在电芯环境处于常温时，电芯能 及时将自身的热量释放出去。但在外界环境变化时，会导致 电芯性能改变，其自身生热同样发生变化。

     电芯熵热系数对高倍率充放电影响不是很大，只会影响 电芯传热过程的温度变化，可以忽略，这为简化热模型提供了条件。

     通常，热仿真模型是建立在几何模型基础上，然后将模 型移至热仿真软件中，加载赋值热传导模式及参数，进行热 仿真计算和分析。

     液冷板由上盖平板和具有流道结构的下盖板等两部分 组成，其流道密闭耐压实验需满足 2.0×105 Pa 以上压力要求。假设流道截面是矩形，流道过宽，其耐受压力值变小，与电芯 接触的上盖平板的散热贴合面将发生鼓胀，这会影响传热效 果和结构安全。依据设计经验，液冷板流道宽度不宜超过 20 mm，实际应用时还会留有耐压冗余；流道高度超过 4 mm，液 冷板的上盖板过薄，这会影响流道的爆破压力，损害液冷板 安全及可靠性。

     电池包液冷板多为铝板，流道有“凸包”、“纵向”和“横 向”等三种不同结构方式。这三种结构液冷板见图 1~图 3。三种流道结构，其流道均设置为宽 20 mm，高 4 mm，上下盖板 厚度 1.0 mm。进行三维建模及热仿真分析。图 4 为 CTP 动 力电池包示意图。

     在 CFD 分析软件(STAR-CCM+)中进行网格划分，面网格 划分应保证拓扑几何不失真，数量为 1 063 万个。在体网格 划分中，冷却液采用多面体加棱形边界层网格，其他部件采 用多面体网格，数量为 813 万个。冷却液边界层为 2 层，第一 层厚度 0.05 mm，总厚度 0.2 mm。

     电池包必须通过低温加热及驱动耐久实验，这是整车应 用时比较苛刻的工况，能够真实呈现出液冷板热管理效能及 极限能力。电池包进行仿真时模拟了这两种工况。电池包为CTP(cell to pack)结构，共有 116只单体电池串联组成。表 1为 仿真时电池包的基本数据。表 2 和表 3 为仿真时初始边界条 件。图5为电芯厂提供的驱动耐久工况下电池发热量数据。

     表 4 为电池包内各部件热物性参数及边界条件，电池包 内为自然对流散热，各表面对流换热系数通常按 5 W/(m2 ·K) 设置，边界换热温度按环境温度设置。

3.1.1“凸包”液冷板热仿真

     图 6 为“凸包”液冷板、电池包的温度场分布情况。由图 6(a)可知，此时电池包最高温度为 18.6 ℃，出现在 M1 区，M1 区是模组进水端；最低温度为 5 ℃，出现在 M4 区，M4 区是模组出水端。电池包四个分区最大温差为 13.6 ℃。

     由图 6(b)可知，液冷板最高温度为 40 ℃，出现在进水口 处，最低温度为 22 ℃，位于出水口处。冷却液温度随着液冷 板内流动路径的增长而逐渐降低，其最大温差为 18 ℃。

3.1.2“纵向”液冷板热仿真

     图 7 为“纵向”液冷板及电池包温度场分布情况。由图 7 (a)可知，电池包最高温度为 22 ℃，与最低温度 5 ℃相比，温差 为 17 ℃。

     由图 7(b)可知，液冷板的最高温度为 40 ℃，最低温度为 21.2 ℃，分别出现在进水口处和出水口处，温差 18.8 ℃。

3.1.3“横向”液冷板热仿真

     图 8 为“横向”液冷板及电池包温度场分布情况。由图 8 (a)可知，电池包最高温度 14.2 ℃，与最低温度 5 ℃之间相差 9.2 ℃。

     由图 8(b)可知，液冷板最高温度为 40 ℃，最低温度为 28 ℃，分别出现在进水口处和出水口处，温差12 ℃。

3.2.1“凸包”液冷板热仿真

     图 9 为“凸包”液冷板及电池包温度场分布情况。由图 9 (a)可知，电池包最低温度 34.3 ℃出现在 M1 区，M1 是模组进水端；最高温度 36.6 ℃出现在 M4 区，M4 是模组出水端。电 池包温差为 2.3 ℃。

     由图 9(b)可知，液冷板最低温度为 25.0 ℃，出现在进水口 处；最高温度为 30.3 ℃，出现在出水口处。随着液冷板内流 动路径的增长，冷却液温度逐渐升高，温差为 5.3 ℃。

3.2.2“纵向”液冷板热仿真

     图 10 为“纵向”液冷板及电池包温度场分布情况。由图 10(a)可知，此时电池包最低温度 34.1 ℃，与最高温度 37.2 ℃ 之间相差 3.1 ℃。

     由图 10(b)可知，液冷板最低温度为 25 ℃，最高温度为 31.5 ℃，分别出现在进水口处和出水口处，温差 6.5 ℃。

3.2.3“横向”液冷板热仿真

     图 11 为“横向”液冷板及电池包温度场分布情况。由图 11(a)可知，电池包最低温度为 34.6 ℃，与最高温度 36.1 ℃相 差 1.5 ℃。

     由图 11(b)可知，液冷板最低温度为 25 ℃，最高温度为 29 ℃，分别出现在进水口处和出水口处。随着流动路径的增 长，冷却液温度不断升高，温差 4.0 ℃。

     低温加热工况下，三种流道结构的液冷板及电池包热仿 真数据对比见图 12。三种液冷板所需加热时间和换热数据 见表 5。采用“横向”液冷板的电池包最高温度为 14.2 ℃，最 大温差为 9.2 ℃。液冷板最低温度为 28 ℃，最大温差为 12.0 ℃。液冷板平均换热功率为 6.75 kW，加热时间 63.7min。与采用“凸包”、“纵向”液冷板的电池包比，加热时间 短，换热效果好。

     驱动耐久工况下，三种流道结构的液冷板及电池包热仿 真数据对比见图 13。三种液冷板所需工作时间和换热数据 见表6。

     采用“横向”液冷板的电池包最高温度为 36.1 ℃，最大温 差为 1.5 ℃。液冷板平均换热功率为 1.49 kW，与采用“凸 包”、“纵向”液冷板的电池包比，换热功率最高，换热效果好。三种结构液冷板流体均匀性、流程、冷却工质温差等参数见 表 7。

     通过对采用不同流道结构液冷板的电池包各工况下温 度场数据的比较分析，发现影响电池包换热效果的主要因素 有两个：

     其一是流道流程长短，这个“流程”特指电芯底部换热区 下面液冷板的流道内，流体流入该区域的起点至流出该区域 的终点的距离。流程越长，流道内冷却工质温度变化越快， 换热效率越好。

     其二是流道流体均匀性，流体越均匀，换热效果越好。“横向”流道采用 Y 向进液方式，调节电池包各模块下液冷板 流道流体均匀性，有效提高了电池包整体换热效率。

     图 14 为采用的电池包温度场分布。从图可看出，采用 “横向”液冷板电池包的电芯之间温差比其他两种小，温度均 匀，说明其热管理效果好。

     综上，横向流道液冷板结构热管理性能相对其他两种方 案较为优越，是一种较为理想的液冷板结构。

     对“横向”流道液冷板进行低温加热台架实验，实验要求与仿真工况相同，流道内流体流量 10 L/min。电池包被加热 到规定温度 5 ℃时，用时 3 420 s。电池包最高温度为 10 ℃， 最大温差为 7 ℃。低温加热台架实验结果见表 8。

     实验过程中，电池包温差变化缓慢，未超过 7 ℃。这说明 采用“横向”流道液冷板的电池包热管理效果良好。低温加 热工况电池包温度变化曲线见图 15。

     对“横向”流道液冷板进行驱动耐久台架实验，实验要求 与仿真工况相同。电池包初始电量为 100%，对电池包以规 定制度放电。实验结束电池包电量为 1.1%。电池包驱动耐 久台架实验结果见表 9。当驱动耐久实验结束时，电池包温 度为 36.1 ℃。实验中电池包最高温度 45 ℃，实验过程中最 大温差为 4.0 ℃。

     电池包驱动耐久实验温度及温差变化曲线见图 16。实验 过程中，温差几乎没有变化，说明散热过程稳定，散热效果较好。

     热仿真与实验数值对比见表 10，低温加热工况，电池包 最高温度实验值比热仿真值低 4.2 ℃；电池包最大温差实验 值比热仿真值低 2.2 ℃。驱动耐久冷却工况，电池包最高温 度，实验值与热仿真值一致；电池包最大温差实验值比热仿 真值高 2.5 ℃。

     实验值与热仿真值之间存在差别主要是由以下几个方 面因素引起的。首先，电池包结构复杂，仿真过程中对电池 包结构和被动散热环境做了简化；其次，实验过程中使用温 箱模拟电池包在整车上使用时的温度环境，这与实际存在一 定差别。

     电池包低温加热工况与驱动耐久冷却工况的最大温差 实验值与仿真值基本一致，差值小于 3 ℃，数据说明热仿真是 有效和可信的。

     针对 CTP 动力电池包传统“口琴管”液冷板存在的问题 与缺陷，做了液冷板流道的设计改进。结合改进的“凸包”、 “纵向”和“横向”流道液冷板结构，建立三维流-热耦合电池包 仿真模型。通过仿真得到电池包两种工况下相关特征温度。用台架实验对仿真优化后的“横向”液冷板电池包散热有效 性进行了验证。

     在流道宽度、流道高度及盖板厚度相同条件下，采用“横 向”液冷板电池包，与采用“纵向”及“凸包”液冷板的电池包相 比，其低温加热及驱动耐久冷却工况下的散热效果更好些。

     采用“横向”液冷板，与采用“纵向”和“凸包”液冷板相 比，在低温加热工况，电池包最大温差低，分别低了 7.8 和 4.4 ℃；所需加热时间也少了，分别少用 16.9 和 8.7 min。在驱 动耐久冷却工况，将采用三种液冷板电池包最大温差相比较 后，发现“横向”比“纵向”和“凸包”分别低 1.6 和 0.8 ℃。

     依据热仿真优化结果，加工研制了“横向”液冷板，“横 向”液冷板装在 CTP 电池包上进行台架实验。实验中电池包 最大温差低温加热工况下为 7 ℃，驱动耐久冷却工况下为 4 ℃。数据说明“横向”液冷板传热性能优异，电池包热管理 效果良好，改进设计是合理有效的。