动力电池液冷方案优化与冷却测试

胡仁德　聂永福　朱红　谢堃　曾祥兵

摘 要：为了提高整车在高温区间内的动力及充电性能，确保电池的功率输出，需要在电池系统端进行必要的冷却设计。本文在液冷嵌管式结构的基础上，分析了在不同冷却液的流量下电池模块温度随不同充放电工况的变化，以优化冷却液流量输入的设计。并验证了优化后的流量在不同温度下的充放电过程中的冷却效果，电池系统的冷却实验验证结果也表明该设计可以有效地保障电池系统的最高温度及温差处于合适的范围内。

关键词：锂离子电池;高温冷却;嵌管结构;温度变化

1 引言

电动汽车因其存在续航里程的短板，使其在与传统乘用车竞争中明显处于劣势。因此，如何在有效控制成本的前提下，提升续航里程显得尤其重要。高镍三元正极材料也正因其高的能量密度，正逐渐投入到乘用车应用领域。但因其高镍三元材料在高温环境和长循环过程中的结构变化及产气问题，会带来电池系统的循环性能衰减及安全隐患。此外，极端的高温环境下也限制了锂离子动力电池的能量的利用及充放电功率的发挥，进而影响整车性能[1]。综合考虑到高温影响、长期循环可靠性、电池性能的发挥等因素，电池系统增设合理的液冷系统可以适合高性能、长续航的整车需求[2]。因此，本文基于集成嵌管式液冷结构，进行了不同冷却液流量下的温升研究，并根据实验结果制定一种冷却策略，以保证电池系统工作在适当温度范围，确保整车的安全及动力性能。

2 实验

2.1 实验对象

本实验的研究对象为纯电动汽车使用的高比能量的三元动力电池系统。

2.2 实验设备

120 KW一体式直流充电桩（TCDZ-DC-0.7/120）、步入式高低温湿热试验箱、充放电设备（EVT250-500-60 KW IGBT）。

2.3 实验方法

快充下冷却液流量验证步骤：（a）将动力电池在40±2℃温度箱里静置≥6小时;（b）通过120 KW直流快充桩上进行高温充电;（c）同时启动冷却液冷却系统，冷却液控制参数：25℃2L/min和25℃3L/min。

不同起始温度下动力电池的冷却效果验证方案：（a）将动力电池的起始温度调整至目标测试温度（20℃/30℃/40℃）;（b） 通过充放电设备进行3次充放电循环测试;（c）依据冷却系统控制策略启动冷却液冷却系统，冷却液控制参数：25℃ 3 L/min。

3 结果与讨论

3.1 电池系统冷却系统结构布置

随着乘用车续航里程的提高和销售的区域扩大，动力电池在整个寿命期间会有较长一段时间处于高温环境下，必要的冷却系统可以确保动力电池处于合适的工作环境。图1中示意图描述了本实验研究对象的系统结构设计，主要采用了2P6S的方壳电芯的模组（尺寸：355 mm×151 mm×108.5 mm），电池包的下壳体为钣金材料。另外，如图1中的右上放大视图所示，模组的底部粘贴导热硅垫（导热系数2.0W/m.K），安装固定在在液冷板上，其中液冷板材料为3003铝合金并集成了加热PTC结构，厚度为2mm。

3.2 高温快充冷却效果测试

依据不同冷却流量下，进行高温快充时的冷却测试，测试结果详见图2。动力电池快充起始温度控制在40±2℃范围内，进行快充充电的同时启动冷却系统。由实验结果可以看出在快充起始阶段由于快充电流相对较高，电池产生的热量的无法及时带走，造成电池的温度整体表现出上升的趋势。随着快充电流的降低，不同冷却液流量下的电池的温度变化趋势开始呈现出明显差异。整体来说，在25 ℃ 3L/min冷却液的流量下，动力电池在快充末端和恒流放电过程中，电池的温度基本维持在43℃左右，电池系统的温差控制在3℃以内，其冷却效果相对较优。

3.3 不同温度冷却液的冷却效果测试

通过确定冷却液的流量的为3L/min的基础上，调整冷却液的温度，并在动力电池不同的起始温度下进行3次的恒流充放电循环测试，以确认该条件下电池系统的冷却效果，测试结果详见图3和图4。图3中的冷却液的温度控制在20℃左右，依据冷却系统的控制策略，在3个充放电循环过程中，动力电池系统的最高温度基本维持在40℃～44℃，电池温差基本控制在5℃以内。图4展示了冷却液的温度在30℃左右，通过冷却测试结果来看，循环测试过程中电池的最高温度维持在46℃～48℃，明显高于动力电池的最佳工作溫度范围。

4 总结

动力电池长期处于高温的工作环境下，除了电池充放电性能的弱化外，循环寿命也会缩短，且在高温下充放电过程中也存在较大的失效风险。本文通过设计匹配电池包的嵌管式液冷结构，通过控制冷却液的流量和温度的输入，可以将电池系统的温度及温差控制合理的工作范围内。

参考文献：

[1]魏跃远，林逸，林程，等.车用锂离子电池充放电性能及应用研究[J].车辆与动力技术，2005（2）：28-31.

[2]杨金相，张越，张浩，等.一种动力电池系统的液冷方案设计与温升测试[J].汽车实用技术，2018（6）：125-127.