本文以純電動汽車動力電池包熱管理系統(tǒng)為研究對象，通過與傳統(tǒng)電池包換熱板技術(shù)的對比，設(shè)計出一套全新的電池包浸沒式熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用高效絕緣氟化液作為換熱載體，將電池電芯完全浸沒于氟化液中，通過對氟化液的溫度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)與電池包內(nèi)各個電芯的熱交換。新系統(tǒng)可以從根本上解決電池包內(nèi)部電芯間溫度不均的問題，從而使高電壓、大功率超級快充得以實現(xiàn)，并直接提升電池包的使用壽命及整車的續(xù)航里程。最后，通過系統(tǒng)臺架測試對比浸沒式系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池包換熱板的性能差異，從而驗證新系統(tǒng)的高效性。

關(guān)鍵詞：熱管理系統(tǒng)；電池包；換熱板；浸沒式；氟化液；超級快充

作者：田鈞， 高帥

極氪汽車 （寧波杭州灣新區(qū)） 有限公司， 浙江 寧波

純電動汽車的電池包需在理想的工作溫度下才能保證其使用壽命及充放電效率，進而保證整車的續(xù)航里程。現(xiàn)階段幾乎所有的整車廠都以冷板換熱的形式來實現(xiàn)對電池包的溫度控制。換句話說，就是通過Chiller或PTC部件提供不同溫度的防凍液流入電池包換熱板，通過換熱板與電池包內(nèi)電芯進行熱交換來實現(xiàn)對電池包溫度的控制與調(diào)節(jié)。本文基于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，設(shè)計一種可以對電池電芯進行“全包覆”溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)更優(yōu)的電池?zé)峁芾矸桨?，為電動車超級快充、提升電池壽命提供更好的熱管理系統(tǒng)，其中電池包內(nèi)部的浸沒式換熱流道設(shè)計是本文分析的重點。

01、換熱板式系統(tǒng)

換熱板式系統(tǒng)簡介

在換熱板式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，換熱板作為電池包的重要部件，通常是以熱傳導(dǎo)的方式與電池包內(nèi)電芯進行熱交換，從而實現(xiàn)對電池包的升溫及降溫功能。圖1為換熱板式電池?zé)峁芾砑軜?gòu)示意圖。

通過分析換熱板自身結(jié)構(gòu)的特點可以發(fā)現(xiàn)，無論如何設(shè)計都必定包含換熱介質(zhì)的進水口和出水口。換熱介質(zhì)在換熱板內(nèi)部流動與電池電芯接觸換熱，整個換熱板的表面溫度必定存在高溫及低溫區(qū)域，溫度不均的問題顯而易見。換熱板相對電芯位置和內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

換熱板溫度分布分析

通過對換熱板表面溫度均勻性的仿真分析，結(jié)果更加明顯。測試條件主要包含4個方面：入口流量1.66L/min、入口溫度15℃、出口溫度17.96℃、出口壓降37Pa。

圖4、圖5分別為冷板溫度場分析圖和電芯上下部溫差示意圖。根據(jù)仿真分析的結(jié)果可以測試出換熱板表面的最高溫差基本在5~6℃，雖然可以滿足電池包中電芯之間最大溫差不高于8℃的使用要求，卻依舊不是理想的設(shè)計方案，同時也很難滿足未來大功率超級快充的需求，電芯也將直接影響電池包的使用壽命。

此外，電池包中的電芯是立體結(jié)構(gòu)，本身存在多個表面，換熱板的傳導(dǎo)式熱交換通常情況下只能與電池單元的1個面接觸，根本無法達到與電池單元全方位、立體化的換熱效果，這也是此類設(shè)計的最大弊端。

02

浸沒式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

浸沒式熱管理系統(tǒng)簡介

針對換熱板式系統(tǒng)存在的問題，如何設(shè)計一款具備電池單元“全包覆”的熱管理系統(tǒng)就顯得尤為重要和迫切。

在此背景下，浸沒式電池包熱管理系統(tǒng)孕育而生。浸沒式電池包熱管理系統(tǒng)就是將電池單元完全浸沒于耐高壓、絕緣的液體中，使電池單元整體充分與液體進行熱交換，從而實現(xiàn)對電池包的溫度調(diào)節(jié)。

本文使用的高壓絕緣換熱介質(zhì)為氟化液，其具有優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性及適度的溶解性，臭氧消耗潛能值 （ODP） 為0，全球變暖潛能值 （GWP） 大幅降低，減輕了環(huán)境的負擔。氟化液參數(shù)見表1。

浸沒式熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

使用氟化液代替防凍液，去除電池包內(nèi)的換熱板，將電池單元完全浸沒于氟化液中，通過Chiller冷卻氟化液為電池單元降溫，然后通過WPTC加熱氟化液為電池單元升溫。圖6為氟化液熱管理架構(gòu)圖。

為保證電池包中的電池單元可以充分地與氟化液進行熱交換，需要為電池單元設(shè)計一款高效的換熱流道，每個電芯之間保留5mm的間隙，確保氟化液可以通過此間隙完成與每一個電池單元的換熱。電池單元換熱結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。

浸沒式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)測試

通過臺架實驗測試電池包浸沒式熱管理方案與傳統(tǒng)電池換熱板方案的差異。本次測試以電池包快充工況作為測試條件，由同一Chiller為兩種換熱介質(zhì)提供相同的制冷量，且水泵的功率完全相同。將相同數(shù)量的電池單元分別置于氟化液中及換熱板上，開始進行實驗測試。

測試前，在每個電池單元的頂部及中部分別布置1個溫度傳感器，共計20個測試點，2個點為1組。圖8為電池單元溫度布點示意圖。

將這組電池單元放置于電池包內(nèi)，并注入氟化液開始進行測試。測試圖如圖9所示。測試條件有：2C倍率充電且換熱介質(zhì)的流量為550L/h，分別使用氟化液和防凍液進行測試。電池組對比結(jié)果見表2。

將每個電池單元上的2個溫度測試點的平均值作為該電池單元的溫度值，溫度曲線如圖10所示。

由圖10可知，傳統(tǒng)使用換熱板對電池包進行熱管理，電池單元間溫差在5~8℃之間，而使用浸沒式熱管理技術(shù)，可以將電池單元之間的溫差控制在2~3℃。由此可知，浸沒式電池包熱管理技術(shù)可以使電池單元能更高效地進行熱交換，電池包內(nèi)溫度均勻性更好，也能確保電芯的使用壽命及整車的續(xù)航里程。

03、結(jié)論

綜上所述，浸沒式熱管理技術(shù)有其無法比擬的特點及優(yōu)勢，尤其是針對未來4C，甚至5C的充電倍率，浸沒式電池包熱管理技術(shù)必將得到更廣泛的應(yīng)用和普及。