動力電池液冷方案優化與冷卻測試

胡仁德　聶永福　朱紅　謝堃　曾祥兵

摘 要：為了提高整車在高溫區間內的動力及充電性能，確保電池的功率輸出，需要在電池系統端進行必要的冷卻設計。本文在液冷嵌管式結構的基礎上，分析了在不同冷卻液的流量下電池模塊溫度隨不同充放電工況的變化，以優化冷卻液流量輸入的設計。并驗證了優化后的流量在不同溫度下的充放電過程中的冷卻效果，電池系統的冷卻實驗驗證結果也表明該設計可以有效地保障電池系統的最高溫度及溫差處于合適的范圍內。

關鍵詞：鋰離子電池;高溫冷卻;嵌管結構;溫度變化

1 引言

電動汽車因其存在續航里程的短板，使其在與傳統乘用車競爭中明顯處于劣勢。因此，如何在有效控制成本的前提下，提升續航里程顯得尤其重要。高鎳三元正極材料也正因其高的能量密度，正逐漸投入到乘用車應用領域。但因其高鎳三元材料在高溫環境和長循環過程中的結構變化及產氣問題，會帶來電池系統的循環性能衰減及安全隱患。此外，極端的高溫環境下也限制了鋰離子動力電池的能量的利用及充放電功率的發揮，進而影響整車性能[1]。綜合考慮到高溫影響、長期循環可靠性、電池性能的發揮等因素，電池系統增設合理的液冷系統可以適合高性能、長續航的整車需求[2]。因此，本文基于集成嵌管式液冷結構，進行了不同冷卻液流量下的溫升研究，并根據實驗結果制定一種冷卻策略，以保證電池系統工作在適當溫度范圍，確保整車的安全及動力性能。

2 實驗

2.1 實驗對象

本實驗的研究對象為純電動汽車使用的高比能量的三元動力電池系統。

2.2 實驗設備

120 KW一體式直流充電樁（TCDZ-DC-0.7/120）、步入式高低溫濕熱試驗箱、充放電設備（EVT250-500-60 KW IGBT）。

2.3 實驗方法

快充下冷卻液流量驗證步驟：（a）將動力電池在40±2℃溫度箱里靜置≥6小時;（b）通過120 KW直流快充樁上進行高溫充電;（c）同時啟動冷卻液冷卻系統，冷卻液控制參數：25℃2L/min和25℃3L/min。

不同起始溫度下動力電池的冷卻效果驗證方案：（a）將動力電池的起始溫度調整至目標測試溫度（20℃/30℃/40℃）;（b） 通過充放電設備進行3次充放電循環測試;（c）依據冷卻系統控制策略啟動冷卻液冷卻系統，冷卻液控制參數：25℃ 3 L/min。

3 結果與討論

3.1 電池系統冷卻系統結構布置

隨著乘用車續航里程的提高和銷售的區域擴大，動力電池在整個壽命期間會有較長一段時間處于高溫環境下，必要的冷卻系統可以確保動力電池處于合適的工作環境。圖1中示意圖描述了本實驗研究對象的系統結構設計，主要采用了2P6S的方殼電芯的模組（尺寸：355 mm×151 mm×108.5 mm），電池包的下殼體為鈑金材料。另外，如圖1中的右上放大視圖所示，模組的底部粘貼導熱硅墊（導熱系數2.0W/m.K），安裝固定在在液冷板上，其中液冷板材料為3003鋁合金并集成了加熱PTC結構，厚度為2mm。

3.2 高溫快充冷卻效果測試

依據不同冷卻流量下，進行高溫快充時的冷卻測試，測試結果詳見圖2。動力電池快充起始溫度控制在40±2℃范圍內，進行快充充電的同時啟動冷卻系統。由實驗結果可以看出在快充起始階段由于快充電流相對較高，電池產生的熱量的無法及時帶走，造成電池的溫度整體表現出上升的趨勢。隨著快充電流的降低，不同冷卻液流量下的電池的溫度變化趨勢開始呈現出明顯差異。整體來說，在25 ℃ 3L/min冷卻液的流量下，動力電池在快充末端和恒流放電過程中，電池的溫度基本維持在43℃左右，電池系統的溫差控制在3℃以內，其冷卻效果相對較優。

3.3 不同溫度冷卻液的冷卻效果測試

通過確定冷卻液的流量的為3L/min的基礎上，調整冷卻液的溫度，并在動力電池不同的起始溫度下進行3次的恒流充放電循環測試，以確認該條件下電池系統的冷卻效果，測試結果詳見圖3和圖4。圖3中的冷卻液的溫度控制在20℃左右，依據冷卻系統的控制策略，在3個充放電循環過程中，動力電池系統的最高溫度基本維持在40℃～44℃，電池溫差基本控制在5℃以內。圖4展示了冷卻液的溫度在30℃左右，通過冷卻測試結果來看，循環測試過程中電池的最高溫度維持在46℃～48℃，明顯高于動力電池的最佳工作溫度范圍。

4 總結

動力電池長期處于高溫的工作環境下，除了電池充放電性能的弱化外，循環壽命也會縮短，且在高溫下充放電過程中也存在較大的失效風險。本文通過設計匹配電池包的嵌管式液冷結構，通過控制冷卻液的流量和溫度的輸入，可以將電池系統的溫度及溫差控制合理的工作范圍內。

參考文獻：

[1]魏躍遠，林逸，林程，等.車用鋰離子電池充放電性能及應用研究[J].車輛與動力技術，2005（2）：28-31.

[2]楊金相，張越，張浩，等.一種動力電池系統的液冷方案設計與溫升測試[J].汽車實用技術，2018（6）：125-127.