改进液冷板结构后CTP动力电池包的热特性

摘要：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。

1 液冷板冷却传热模型

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。

1.1;流道流体流动控制方程

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[4] 。液冷板流道中流场控 制方程见式(1)~式(3)。

质量守恒定律，即流体连续方程：

动量守恒定律，即 N-S 方程：

能量守恒定律为：

式中：∇;为拉普拉斯算子；V;为速度矢量；p;为压力，Pa；ρ;为冷却液密度，kg/m³；Cp;为冷却液压力比热熔，J/(kg·K)；λ;为冷却 液导热系数 ，W/(m·K)；μ;为冷却液动力黏度系数；E;为总能 量，J；u、v;和;w;分别为X、Y;和;Z;方向的速度；t;为时间，s。

1.2;电芯传热

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：

式中：Qw;为电芯总热量；Qe 为电芯和周围环境发生对流换热 的热量；Qa;为电芯本身吸收的热量，这部分热量表现为电芯 的温度变化 ΔT。

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：

式中：q1 为热传导过程中的热流密度，W/m2；Kn;为;n;向(电池壁 面的法线方向)导热系数，W/(m · K)；∂T∂n;为沿;n;方向的温度 梯度，K/m；“-”为热量传递指向温度降低的方向。

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：

式中：q2;为热流密度，W/m2；hf 为对流换热系数，W/(m2;· K)；TS 为电芯表面温度，K；TB 为电芯周围流体温度，K。

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。

2 热仿真模型

2.1;几何模型

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。

图4 CTP 动力电池包示意图

2.2;网格划分

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。

2.3 模型参数与边界条件

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 仿真结果与分析

3.1 低温加热工况

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 驱动耐久工况

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;℃。

3.3 热仿真结果分析

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。

4 实验验证

4.1 低温加热台架实验

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。

4.2;驱动耐久工况台架实验

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。

4.3;热仿真与台架实验数据比较

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。

5 结论

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。

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