电动车动力锂离子电池水冷系统研究

张浩，罗志民，宋韩龙，张福增

（天津力神动力电池系统有限公司，天津 300384）

电动车动力锂离子电池水冷系统研究

张浩，罗志民，宋韩龙，张福增

（天津力神动力电池系统有限公司，天津 300384）

针对纯电动车动力电池系统设计了一套液冷系统，计算了电池系统发热功率，并根据发热功率设计出了水冷板结构，并根据电池发热功率及水冷板结构计算了液冷系统压力、流量参数。选取了压缩机、热交换器、水加热器、泵等元器件，并在步入式温箱中模拟高温环境对电池系统、水冷系统进行了性能测试，对测试结果进行了分析，水冷系统效果明显，可以在高温环境下，电池系统在高倍率放电时把电芯温度控制在35℃内，保证电池系统安全运行。

动力电池；液冷系统；水冷板；热交换器；步入式温箱

CLC NO.:TM933Document Code:BArticle ID:1671-7988 (2017)06-47-04

引言

目前随着电动汽车技术的发展，对动力电池的要求越来越高，为保证电池系统安全，对电池系统热管理提出了更高的要求，在高功率应用时能够控制电池系统在最佳温度范围内，且国家标准要求箱体满足IP67，这时传统风冷系统已经不能满足需要，因此急需新的热管理方式，且在国外电动汽车领域已有成熟的液冷应用技术，为满足未开市场需求，提高自身产品市场竞争力，我们也需要开展液冷技术研究，并逐步使我们的液冷技术成熟应用。

基于液体热交换的冷却系统比空气系统效率更高，电动汽车电池组内部温度更均匀，但是系统更复杂。例如从电池到液相的热转换，可以将金属胶合在容器壁上或嵌入容器壁来完成。同样，整个热转换可以利用电池极柱的高热传导性，来冷却或加热来保持温度。采用液体介质的传热可在模块之间布置管线，或围绕模块布置夹套，或者把模块沉浸在介质中，来实现电池和液体之间的热交换。

若液体不是直接和电池接触（如传热管、夹套等），传热介质可以采用水、乙二醇甚至制冷剂。若要把电池沉浸在传热液体中，则该液体必须是电介质，并采用绝缘措施避免发生短路，在模块壁和传热介质之间的传热速率取决于液体的热导率、黏度、密度和流动速度等。在相同流速下，大多数直接接触式流体（如矿物油）传热速率远高于空气，因为其有比较薄的边界层和较高的热导率。但由于由有较高的黏度，需要较高的泵送功率，只能采用较低的流速，通常其传热系数比空气仅高出1.5～3倍。

表1 风冷/水冷对比

1、水冷系统组成

1.1 水冷机组组成

本水冷系统布置在电池箱体外部，电池包热管理系统采用顶置一体式结构形式，此产品包括制冷系统、加热系统、水路循环系统。本系统通过管道连接至电池包水套预留进液口、出液口，制冷系统由直流变频压缩机、微通道平行流冷凝器、膨胀阀、不锈钢板式换热器等主要部件和干燥过滤器、气液分离器等辅助部件组成，加热系统包括内置水箱式4KW加热器和控制元件，水路循环系统包括24V直流水泵，密封式循环水箱、不锈钢换热器、膨胀罐等器件。

图1 热管理系统原理图

制冷原理，电池包热管理制冷系统采用蒸气压缩式制冷原理。当给电池组降温时，电加热器不启动。水泵将水箱的防冻液泵入电池包水套，电池包的出液口与板式换热器进口连接，板式换热器的出口与水箱的回水口相连接，从而形成水路循环系统，电池包出来的防冻液与板式换热器另一侧的制冷剂进行对流热交换，变成冷的防冻液，冷的防冻液再流入水箱，通过泵与电池组进行热交换变成热的防冻液，如此往复，达到对电池组降温的目的。

制热原理给电池环境升温时，压缩机不启动，水箱内的电加热器将防冻液加热，然后通过水泵将热的防冻液泵入电池包内，达到对电池包加热的目的。

介质选用防冻液（40%的乙二醇和60%的软水混合成的防冻液，沸点为108℃，冰点为-25℃，防腐蚀、防水垢）作为介质，由水泵提供循环动力。膨胀罐为循环介质热胀冷缩设计，循环介质高温膨胀时，多余循环介质进入膨胀水箱，循环介质低温收缩时，补充循环水箱。温控系统用于各个温度控制点的温度，包括循环水箱温度、电池包回水温度等。控温系统采用PT100铠装温度传感器进行温度数据采集，并采用PLC控制器作为温度控制器，对全系统各节点进行自动控温。整个系统采用 CAN通讯与上位机联动，实现远程控制。命令对系统设定温度、待机/运行选择、温度查询等功能。

表2 冷却系统参数表

1.2 电池箱体内部水冷管路

电池箱体内部，水冷板布置在电池模组侧面，电芯底部与水冷板接触，水冷板与电池底部之间采用导热胶填充，这样电芯与水冷板充分接触，减小热阻，导热胶导热系数：空气导热系数：0.026W/(m·k)，水冷板内部有翅片，这样会使水冷板表面温度均匀，水冷管路在电池箱体内部采用3并3串的布置方式，管路与水冷板接头采用快插形式，电芯发热功率计算方法：

计算电芯生热率时，采用一种基于电池内部物质发热均匀的假设电池生热计算式：

在计算极柱生热率时，由极柱产生的焦耳热，生热率计算公式如下：

式中，Q为极柱发热量，V为极柱体积，I为电流，R为极柱内阻。极柱内阻R的计算公式为：

式中，l为极柱长度，S为极柱底面面积，ρ为极柱材料电阻率，铝的电阻率为 2.83×10-8(Ω·m)，铜的电阻率为1.75×10-8(Ω·m)。

根据电芯的发热功率选取合适的冷却系统压缩机功率，并根据水冷板与电芯间的热交换系数，计算出水冷系统压力、流量，此系统水冷板流量 2L/min，系统压力 0.1Mpa，水冷板及管理在箱体内的布置方式如下图所示：

图2 水冷板模组布置示意图

图3 箱体内管路布置示意图

2、结果分析

电池系统在环境温度为40℃时进行了0.78C、0.85C、1C充放电循环，并进行了水冷测试。

图4 0.78C充放电模组温度变化图

图5 0.78C充放电进出水口温度变化图

图6 0.85C充放电模组温度变化图

图7 0.85C充放电进出水口温度变化图

图8 1C充放电模组温度变化图

图9 1C充放电进出水口温度变化图

表3 数据结果

环境温度为40℃时，以0.7C充放电，当电芯温度达到47.8℃时，开启热热管理系统，冷却液温度最低恒定在8℃，电芯温度降低到 37℃时，平均降温速率为 0.3℃/min，模组最低与最高温差在10℃以内，进出水温差在5℃以内，模组温差较大。

环境温度为40℃时，以0.85C充放电，当电芯温度达到47.8℃时，开启热热管理系统，冷却液温度最低恒定在8℃，电池系统进行三个充放电循环，由图4可见，模组经历了两个最高最低温度循环，第一个循环时，由47.8℃降低到30℃，降温速率为 0.2℃/min，第二个循环时，降温速率为 0.21℃/min；模组最高温差随着温度升高逐渐增大，当开启冷却时，温差逐渐减小，模组最高温差在10℃；电池箱体进出水口温差在5℃内。

环境温度为40℃时，以1C充放电，当电芯温度达到47.8℃时，开启热热管理系统，冷却液温度最低恒定在 8℃，降温速率为0.14℃/min，当电芯温度达到35.8℃时，温度不在变化，说明电池箱体与水冷系统热交换达到了平衡，并且模组温差较小倍率放电时有所增大，最大达到了14℃。

3、结论

分析了热管理系统的工作原理，并给出了动力电池的发热功率计算公式，选取了主要原件，并设计出了系统参数，电芯在高温环境下高倍率充放电时，该冷却系统能够控制电芯温度继续升高，并能把温度控制在合理范围内，但电芯在降温及加热过程中存在模组温差过大的问题，分析原因有：

1）电池系统绝热措施不够完善；

2）电池系统内水冷管路内冷却液流量分配不均匀；

3）水冷板与电芯之间热交换效率低；

4）温度采集点布置，尽量在模组的同一位置布置，数据比较较为可信。

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The water cooling-system research of EV battery

Zhang Hao, Luo Zhimin, Song Hanlong, Zhang Fuzeng
( Tianjin lishen battery joint-stock co., LTD, Tianjin 300384 )

A water cooling system was designed according to EV battery, the heating power of battery was calculated, the water cooling-plate structure was designed on the base of heating power, the pressure and rate of flow were calculated according to the heating power of battery and water cooling-plate structure. The compressor, heat-exchanger, water heater and electronic pump were chosen, and the performance of battery system and water cooling system was test in the enter type thermostat, the test result was analyzed. According to the analysis result, the cooling effect was evident, and the temperature of cells can be controlled within 35℃, so as to insure the safe running of the battery.

power battery; cooing system; water cooling-plate; heat-exchanger; enter type thermostat

TM933

B

1671-7988 (2017)06-47-04

张浩（1984-），男，硕士研究生，主任工程师，就职于天津力神动力电池系统有限公司。主要从事电动汽车动力电池热管理及仿真工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.014