新型液冷动力电池模组传热特性试验研究∗

冯能莲，陈龙科，邹广才

(1.北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124； 2.安徽新能科技有限公司，安庆 246005；3.北京汽车集团有限公司，北京 101300)

前言

以锂离子电池为代表的一类动力电池因其高能量密度、高功率密度和长使用寿命等方面的优势，成为目前车用动力电池的主流，也是各方争相投入的热点[1-3]。圆柱形与方形动力电池相比具有电池边缘效应小，制造、存储和放电一致性较好等优点，更加适合多个电池串并联的成组使用[4]。然而，成组使用时所产生的热量易于集聚，其温度会显著上升，严重时甚至导致动力电池组热失控，影响系统的安全性与可靠性[5-6]；另一方面，在低温环境(如-10℃或以下)中，大多数动力电池的能量和功率都会降低，车辆性能严重衰退[7]。因此，为提升动力电池的电化学性能和能量效率，延长其寿命，有必要采用合理的电池热管理系统，以在高温情况下对动力电池进行冷却和低温情况下对其进行加热或保温。

目前，国内外常见的动力电池冷却方式有空气冷却、液体冷却和相变材料冷却；常见的加热方式主要有气体加热、液体加热、加热板加热、加热套加热、帕尔贴效应加热[8]。在分析国内外电池热管理系统的基础上[9]，综合考虑冷却和加热的效果与工程化，液体冷却/加热方式将成为未来的主流。

液体冷却/加热方式以美国Tesla的扁平微管冷却最具代表性，发展至今，共有两代产品[10-11]，第一代为单边扁平直管冷却，与电池“线接触”；第二代为单边扁平蛇形管冷却，与电池“面接触”。但由于扁平微管与电池的接触面积有限(即使是蛇形管，与圆柱状电池的接触区域也仅20°)，因而，其冷却效果并不十分理想。为增加冷却液(循环介质)与动力电池的换热面积，强化换热效果，研发了新型360°冷却液环绕的蜂巢式液冷动力电池模组。为检验新型液冷动力电池模组的传热特性，基于单体电池的最大发热功率，开发了新型液冷动力电池模组冷却/加热系统试验平台，实现液冷动力电池模组的冷却、加热和传热试验等功能。

1 新型液冷动力电池模组构成和工作原理

图1 液冷动力电池模组构成

以纯电动乘用车为例，其整车电池内部包含成百上千甚至几千节电池，如果直接成组为一体，既不方便装配制造，又无益于后期的维护。因此，通常的做法是将整车电池分为若干个模组。新型液冷动力电池模组结构如图1所示，主要由电池，液箱，上、下极板以及上、下盖板(图中未示出)组成。液箱中设置有许多套筒(下称电池孔)，外面包裹着导热绝缘套管的单个柱状电池置于其中。电池孔壁为导热性良好的材料，电池与电池孔之间的空隙填充有高导电系数的绝缘硅胶以利散热。电池孔外围空间组成的连通空腔充满冷却液，形成对电池孔的360°环绕，这一新型结构将Tesla第一、二代扁平管与冷却液“线接触”、“扇形面接触”改变为“环面接触”，接触面积显著增大，有利于提高动力电池模组的散热能力，从而降低整体平均温度，大大改善了单体电池间的温度均衡性。

模组内的单体电池成组方式为先并后串，即采用区域内并联，区域间串联的连接方式。单体电池的两极各由具有速熔功能的导线引出，该导线焊接在上、下极板上，并引出动力电池模组的正负极。上、下极板正对电池的一面各敷有胶垫，极板与胶垫粘结为一体，然后固定在液箱的上下表面。整个液冷动力电池模组密封包装，外敷绝缘防火隔热层，并设有液体的进口和出口，如图2所示。

图2 液冷动力电池模组整体图

液箱的进、出口外接主动冷却/加热强制循环系统，根据动力电池系统的温度在电池管理系统(battery management system，BMS)的统一管理下进行自动调节，对电池冷却或加热；液冷动力电池模组外敷隔热层，防止动力电池系统内部热量过快地散发，在较低的温度情况下起到保温效果。

2 锂离子单体动力电池发热功率测试

掌握电池的发热功率是进行合理高效热管理系统设计和应用的首要条件，可为整个热管理系统的设计及其关键部件的选型提供数据支撑。为研究单体动力电池在充放电工况下的发热功率，开发了单体动力电池发热功率测试平台，如图3所示。

测试平台由单体动力电池发热功率测试装置、电池充放电设备、温度传感器和数据采集系统等组成。外壳为聚碳酸酯材料并外敷保温层，内注有一定质量的去离子水；温度传感器为铠装热电偶，分别布置于电池表面、水中和装置外表面。试验用电池为LG INR18650 MH1型锂离子电池，额定容量为3200mA·h，最大充电电流1C，最大放电电流10A。不含保温层的单体动力电池发热功率测试装置实物如图4所示。

图3 单体动力电池发热功率测试平台示意图

图4 单体动力电池发热功率测试装置

由于充电过程电池的发热量和温升小于放电过程，故仅对放电过程的发热功率进行测试。具体步骤如下：

(1)室温下，将满电状态的电池置于发热功率测试装置中，运行数据采集系统，待各部分温度稳定后开始测试；

(2)对单体电池进行3C倍率恒流放电，放电结束后搁置一段时间，待各部分温度稳定后，记录试验过程中的放电时间和各测点的温度；

(3)利用式(1)能量平衡方程，计算各部分的发热功率并最终求得电池的发热功率。

式中：ci(i＝1，2，3)为电池、水和聚碳酸酯外壳的比热容，J/(kg·K)；mi(i＝1，2，3)为电池、水和聚碳酸酯外壳的质量，kg；ΔTi(i＝ 1，2，3)为放电前/后电池、水和聚碳酸酯外壳的温差，K。

单体动力电池在3C倍率恒流放电时的各部分温度变化如图5所示。

图5 3C倍率放电各部分的温度变化

试验结果表明：3C倍率放电时，水、电池、聚碳酸酯外壳的功率分别为1.81，0.22和3.34W，总的发热功率为5.37W，电池表面的最大温升为6.9℃；由于试验装置并非绝热，会有一定的热量散逸，因而单体试验用电池的最大发热量可按6W计。

3 新型液冷动力电池模组试验平台研发

为验证新型液冷动力电池模组的传热特性，依据设计要求和单体电池的发热功率，经制冷量计算以及其它关键部件的选型和匹配，集成液冷动力电池模组冷却/加热系统的试验平台，如图6所示。

图6 新型液冷动力电池模组冷却/加热系统试验平台

试验平台由液冷动力电池模组、供液系统、冷却系统、加热系统、信号测量(传感器)与数据处理系统和BMS等构成。其中，供液系统主要由储液箱、循环泵、循环介质组成；冷却系统为制冷机组，主要由冷凝器、压缩机及其控制器、冷凝风扇、毛细管和蒸发器组成；加热系统主要为加热棒；信号测量与数据处理系统主要包括流量计、压力传感器、温度传感器、数据采集卡和计算机等；BMS与数据处理系统采用CAN通信方式，对液冷动力电池模组的电压、电流和温度等信号实时采集、分析和处理，并向冷却/加热系统发出相应的控制信号。

整个试验平台包括两套循环系统，其一为供液循环系统。选择腐蚀性低、传热效率较高、成本低的乙二醇水溶液作为循环介质，循环介质在蒸发器中被制冷介质冷却或在储液箱中被加热棒加热，再由循环泵将循环介质泵入液冷动力电池模组内，达到对电池冷却或加热的目的。此外，当液冷动力电池模组在需要保温时，关闭进出口的电磁阀，此时循环介质封存于液冷动力电池模组内部。

试验平台的另一套循环系统为制冷介质循环系统。制冷介质在蒸发器中吸收循环介质的热量之后，汽化形成低温低压的蒸汽，被压缩机压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器，在冷凝器中向空气放热，凝结为高温高压液体，经毛细管节流为低压低温的制冷剂，再次进入蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。

4 试验结果与分析

以10孔液冷动力电池模组为试验对象，其外形尺寸为100mm×71mm×65mm，电池孔间的空腔体积约为 0.000 3m3，其中充满冷却液的质量约为0.318kg。当仅研究液冷动力电池模组的传热特性时，电池的发热特性可由加热管(等效电池发热的元件)来模拟。由于加热管内有预置加热丝，通过改变加热丝两端的电压可模拟单体电池实际使用过程中的发热特性。该方法既能节约试验时间(省略了电池充放电时间)，使整个试验系统操作简便、安全可靠，又可降低试验成本。考虑到单体电池的极限发热工况，选用6W的加热管。为检验加热管的温升是否与单体动力电池3C倍率放电的温升相符，室温下测试加热管的温升，并与单体动力电池3C倍率放电温升对比，如图7所示。

图7 加热管与单体动力电池3C放电温升对比

从图7可以看出，3C倍率放电时单体动力电池温度由25℃上升到70.2℃，6W加热管温度由25℃上升到70.3℃。因此，仅研究动力电池模组的传热特性时，可用6W的加热管替代实际LG INR18650 MH1锂离子动力电池。

加热管替代电池的10孔液冷动力电池模组如图8所示，A为电源线束，B为温度传感器线束。为便于研究和分析，将10孔液冷动力电池模组的加热管按图中所示方式编号。

图8 加热管替代电池的液冷动力电池模组

4.1 加热试验

低温环境下，液冷动力电池模组在需要加热时，冷却系统不运行，起动加热棒，将储液箱内的循环介质加热后，通过循环泵和管路输送至液冷动力电池模组中，对液冷动力电池模组进行加热后的循环介质在压力下流回储液箱内进行再次加热，从而形成了循环泵-液冷动力电池模组-储液箱之间的介质循环。具体的试验步骤为：在无强制冷却的自然环境中起动储液箱中的加热棒，打开循环泵，记录1h内动力电池模组中具有代表性的加热管(编号为①，③，⑤，⑥，⑩)的温度数据以及循环介质在进出口处的压力和流量。

由于试验在自然散热环境中进行，不同时间段的室温略有差异，不同加热管的内阻也有差异，为便于比较，作图时将起始温度统一设为25℃。图9为所选加热管的温度变化情况，图10为液冷动力电池模组进出口的压力，图11为液冷动力电池模组进出口的流量。

图9 加热过程加热管温度与时间的关系

图10 进出口冷却液的压力

图11 进出口冷却液的流量

从图9～图11可以得出如下结果。

(1)加热试验时，电池的平均温度由25上升到34.1℃，平均温升速率为9.1℃/h；冷却液入口处电池(9#)的温度最高，冷却液出口处电池(0#)的温度最低，两者之间的温差为0.9℃，可以实现对液冷动力电池模组加热的功能。

(2)进出口冷却液的压力几乎一致，大约为0.116MPa；进出口的流量平均为0.558L/min。

(3)该试验结果对实际液冷动力电池模组的加热具有指导意义，通过增加管路中冷却液的流量、压力和提高储液箱中加热棒的功率，可以实现对实际液冷动力电池模组的加热并能满足整个液冷动力电池模组温差的要求。

4.2 冷却试验

液冷动力电池模组温度过高时，起动压缩机，冷却系统运行，循环泵将储液箱内的循环介质泵至冷却系统的蒸发器内并与制冷介质进行热交换，经冷却后的循环介质通过管路输送至动力电池模组中，动力电池模组内的热量通过冷却后的循环介质被带走至储液箱内，这样形成了两个循环，即压缩机-冷凝器-毛细管-蒸发器之间的制冷介质循环和循环泵-蒸发器-动力电池模组-储液箱之间的供液循环。具体的试验步骤为：将液冷动力电池模组中所有的加热管起始温度调整到60℃(锂离子动力电池的工作最高温度)，冷却系统起动，设置压缩机转速为3 000r/min(最低转速)，加热管和制冷系统同时工作，待所选加热管的温度降到25℃左右时试验结束。图12为试验过程中压缩机转速在3 000r/min时的加热管的温度变化。

图12 冷却过程加热管温度与时间的关系

从图12可以得出如下结果。

(1)在6W加热管和压缩机同时工作情况下，加热管的温度降到室温约需30min，压缩机在最低转速3 000r/min时，加热管的平均温降为34.7℃，降温速率为1.16℃/min；加热管①与加热管⑩的温差为1.9℃，10孔液冷动力电池模组的温差在2℃以内。

(2)与加热试验结论相似，通过增大循环介质的流量和压缩机的制冷功率，匹配合理的冷却系统，可满足对实际液冷动力电池模组冷却的要求。

4.3 传热速率试验

当液冷动力电池模组内某一电池温度突然升高时，会对该电池周围的电池造成相应的影响。为研究液冷动力电池模组内相邻电池间的传热速率，进行传热速率试验。选取液冷动力电池模组内相邻的两个加热管(⑥和⑨)为研究对象，在二者中心的连线上、紧挨加热管处布置两个热电偶。具体的试验步骤为：室温下，将液冷动力电池模组内的循环介质排空，增大加热管⑨的工作电压(模拟电池温度急增)，运行10min，加热管⑥不工作，记录两个热电偶的温度数据；将液冷动力电池模组内充满循环介质，重复增大电压以后的步骤，试验结果如图13所示。

图13 有无液体时加热管的温度对比

从图13可以看出：液冷动力电池模组内有液体时，加热管之间的传热速率低于无液体时的传热速率；无液体时，加热管⑥表面温度由 25上升到48.4℃，温升速率为2.34℃/min；有液体时，加热管⑥表面温度由 25上升到 37.5℃，温升速率为1.25℃/min。因此，新型液冷动力电池模组可有效改善温度急剧上升的电池对周围其它电池的影响。

5 结论

(1)所研发的新型液冷动力电池模组，因增加了动力电池与冷却液的传热接触面积，强化了冷却液与电池间的换热效果，可更高效地保证单体电池和电池模组工作在适宜的温度范围，从而维持电池性能、延长电池寿命。

(2)6W加热管的温升与单体动力电池3C放电的温升几乎一致，因此，当仅研究液冷动力电池模组的传热特性时，可用6W加热管来模拟电池发热，从而缩短试验时间、降低试验成本。

(3)所得到的单体电池最大发热功率的测试结果为新型液冷动力电池模组冷却/加热系统试验平台关键部件的选型和实现提供了数据支撑。

(4)新型液冷动力电池模组冷却/加热系统试验平台可实现电池在高温情况下的冷却和在低温情况下的加热功能，冷却和加热试验数据可定性地描述新型液冷动力电池模组冷却/加热系统的功能，通过试验调试，系统能有效采集信号，为电池管理系统中电池热管理的研究提供依据。

(5)所用试验方法和结论对其他类型或结构的液冷电池模组的传热特性研究和工程应用具有一定的参考价值。

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