軟包電池模組熱管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

許亞軍

（美嘉帕拉斯特汽車(chē)零部件（上海）有限公司，上海 201299）

0 引言

隨著2019年中國(guó)開(kāi)始實(shí)施的雙積分制，發(fā)展節(jié)能與新能源汽車(chē)已成為有效緩解中國(guó)能源和環(huán)境壓力、推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。其中發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)可以實(shí)現(xiàn)能源的集中利用，助力建設(shè)節(jié)能環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的城市生態(tài)。現(xiàn)實(shí)的需求對(duì)電池的能量密度，電池的工作安全性，快速充電能力提出了更高要求。

1 概述

此軟包電池模組熱管理系統(tǒng)從2019年2月開(kāi)始立項(xiàng)開(kāi)發(fā)，采用正向全新設(shè)計(jì)，高度集成軟包電池模組的各個(gè)組件，滿(mǎn)足客戶(hù)各種功能指標(biāo)的要求。歷經(jīng)對(duì)市場(chǎng)上已有電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)標(biāo)分析，獨(dú)特的方案設(shè)計(jì)，產(chǎn)品三維模型構(gòu)建，二維圖紙的定稿，軟硬模階段的零部件級(jí)別，整車(chē)的產(chǎn)品生產(chǎn)驗(yàn)證，最終很好的滿(mǎn)足了客戶(hù)要求。

電池模組在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這些熱量要及時(shí)地被帶走，否則電池模組的溫度超過(guò)安全閥值，電池模組會(huì)熱失控，導(dǎo)致冒煙失火等安全事故[1]。隨著電池模組的能量密度日益提高，傳統(tǒng)的風(fēng)冷（比如日產(chǎn)LEAF）和強(qiáng)力風(fēng)冷（比如豐田PRIUS）這種被動(dòng)的冷卻方式已經(jīng)滿(mǎn)足不了對(duì)電池冷卻效率的要求。有空調(diào)和散熱器冷卻，電加熱或者熱泵加熱的主動(dòng)熱管理方式能做到高效及時(shí)地管理電池模組溫度，使電池模組始終工作在適宜的溫度范圍內(nèi)。電池模組熱管理系統(tǒng)最主要的功能是當(dāng)電池模組工作一段時(shí)間后，溫度比較高時(shí)，電池模組內(nèi)部產(chǎn)生的熱量要通過(guò)散熱鋁板導(dǎo)出，然后冷卻液（介質(zhì)為水和乙二醇）直接冷卻散熱鋁板，這樣熱量可以被冷卻液帶走，起到降低電池模組工作溫度的作用[2]。還有一種使用情形是電池模組快速充電時(shí)，由于充電功率比較高，平均每個(gè)電芯的發(fā)熱功率為35W，電池模組工作溫度會(huì)急劇升高，這對(duì)電池模組冷卻能力提出很高的要求[3]。電池模組熱管理系統(tǒng)核心的設(shè)計(jì)是怎樣使電池模組產(chǎn)生的熱量通過(guò)最有效的傳導(dǎo)方式傳熱給冷卻液，使每個(gè)電芯的工作溫度都盡可能接近，這對(duì)提高電池模組工作安全性非常重要，同時(shí)這種冷卻通道要設(shè)計(jì)得緊湊巧妙，重量輕，這些都是為了提升整個(gè)電池包的能量密度。

2 軟包電池模組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

下面介紹下軟包電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)各個(gè)組件的詳細(xì)設(shè)計(jì)以及主要性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。電池模組的結(jié)構(gòu)如圖1，圖2所示。

圖1 電池模組分解圖

圖2 電芯熱管理單元分解圖

軟包電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要性能指標(biāo)：

軟包電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻液入口流量2升/分鐘，電池模組壓力損失在15Kpa以?xún)?nèi)。

快速充電15分鐘，充電80%

快速充電時(shí)每個(gè)電芯的發(fā)熱功率為35W

電芯最高工作溫度控制在42℃以?xún)?nèi)

冷卻通道耐靜壓爆破10Bar以上

密封性測(cè)試：樣品頂部與水面至少保持20mm的距離。在樣品內(nèi)通入4bar（相對(duì)壓力）壓縮空氣，保壓時(shí)間60秒。在試驗(yàn)過(guò)程中，樣品不得出現(xiàn)氣泡或變形等現(xiàn)象。

目前市場(chǎng)上電池模組的冷卻絕大部分是整個(gè)電池模組放在金屬冷卻板上，整個(gè)電池模組的冷卻采用的是單側(cè)冷卻，即電芯產(chǎn)生的熱量從電芯底部到頂部逐次傳導(dǎo)給散熱鋁板，這樣會(huì)導(dǎo)致單電芯頂部的溫度比底部的溫度高，造成每個(gè)單電芯上溫度分布相差比較大，單電芯某些局部區(qū)域溫度過(guò)高，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)有安全隱患。優(yōu)于目前市場(chǎng)上絕大部分的電池模組冷卻方式，本電池模組熱管理系統(tǒng)采用的是每個(gè)電芯都是雙側(cè)冷卻，即頂部和底部分別同時(shí)冷卻。散熱鋁板兩側(cè)分別放置電芯，散熱鋁板上下兩側(cè)分別設(shè)置了一個(gè)冷卻通道，該冷卻通道采用的是兩個(gè)塑料件與散熱鋁板分別用粘結(jié)劑粘接的裝配方式。采用塑料件構(gòu)成冷卻通道，比金屬件有著以下方面的優(yōu)勢(shì)[4]。

重量輕 塑料件一般采用PP含玻纖耐阻燃材料，傳統(tǒng)的冷卻通道金屬件采用的是鋁，密度是PP玻纖的2.5倍，從重量角度看塑料件有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

復(fù)雜特征實(shí)現(xiàn)可靠度高 塑料件上的復(fù)雜特征，尤其是與冷卻能力密切相關(guān)的冷卻通道精細(xì)巧妙特征的實(shí)現(xiàn)并保持可以通過(guò)注塑模具來(lái)實(shí)現(xiàn)并保持。金屬件一般是鋁板采用沖壓成型，受制于沖壓工藝的精度和鋁板材料的回彈特性，冷卻通道上的精細(xì)特征和尺寸很難實(shí)現(xiàn)和保持。

生產(chǎn)工藝的復(fù)雜程度和生產(chǎn)周期 塑料件一般是模具注塑完成，生產(chǎn)周期短（一般在60秒內(nèi)）。金屬件的成型工藝比較復(fù)雜，落料，拉延，沖壓，翻邊，沖孔，幾乎每個(gè)步驟都需要專(zhuān)門(mén)的模具實(shí)現(xiàn)。單個(gè)樣件生產(chǎn)出來(lái)后，塑料件一般采用自動(dòng)化涂膠設(shè)備完成涂膠裝配塑料件和鋁板。金屬件一般需要真空釬焊或者激光焊接沖壓件。從整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程看相比塑料件，金屬件的焊接需要更大的生產(chǎn)設(shè)備投資和更高的能耗。

電池模組是安全件，如果采用塑料件，塑料材料必須滿(mǎn)足V0 的阻燃特性要求，一般會(huì)在塑料基材里添加阻燃劑，然而帶有阻燃劑的塑料材料很難通過(guò)振動(dòng)摩擦或者紅外焊接的方式裝配到一起。本電池模組熱管理系統(tǒng)塑料件和散熱鋁板之間采用的是三層結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)膠分別把塑料件和散熱鋁板粘結(jié)在一起，粘結(jié)強(qiáng)度主要是依靠結(jié)構(gòu)膠的粘接特性和三層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證。用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)塑料件和金屬件，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。下面重點(diǎn)介紹下三層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)膠的選擇。三層結(jié)構(gòu)如圖3所示，塑料件上有涂膠溝槽，溝槽深度3mm左右，溝槽寬度3.5mm左右，散熱鋁板上有沖壓成型的凸筋和凹槽，一側(cè)的凸筋與一個(gè)塑料件的溝槽配合，凹槽與另外一個(gè)塑料件的凸筋配合。在開(kāi)始涂膠前，為了提高塑料件的粘接強(qiáng)度，需要提高塑料件的表面能量，通常塑料件需要做火焰處理或者等離子處理。為了提高散熱鋁板的粘結(jié)強(qiáng)度，鋁板在粘結(jié)前需要先做去油脂處理，然后做底涂處理。這些準(zhǔn)備工作完成后，塑料件放在生產(chǎn)線(xiàn)上，用6軸機(jī)器人帶動(dòng)膠槍按照之前設(shè)定好的涂膠程序開(kāi)始涂膠，然后放置鋁板，再涂膠，最后放置另外一個(gè)塑料件到上面，生產(chǎn)線(xiàn)上的自動(dòng)夾鉗會(huì)固定涂完膠的樣件。同時(shí)為了加速固化膠水，生產(chǎn)線(xiàn)上會(huì)用紅外線(xiàn)加熱燈管?chē)@涂完膠的樣件加熱，通常60秒可以完成膠水固化。結(jié)構(gòu)膠的選擇通常會(huì)通過(guò)以下試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)選取。

圖3 電芯熱管理單元連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)樣條初始狀態(tài)分別放在-40℃/23℃/80℃/120℃下72小時(shí)后，檢測(cè)膠水的抗拉強(qiáng)度，判斷標(biāo)準(zhǔn)是抗拉強(qiáng)度要大于3Mpa。

標(biāo)準(zhǔn)樣條放在70℃下360小時(shí)的耐老化測(cè)試，試驗(yàn)完成后，檢測(cè)膠水的抗拉強(qiáng)度，判斷標(biāo)準(zhǔn)是抗拉強(qiáng)度要大于3Mpa。

標(biāo)準(zhǔn)樣條放在118℃冷卻液里1100小時(shí)，試驗(yàn)完成后，檢測(cè)膠水的抗拉強(qiáng)度，判斷標(biāo)準(zhǔn)是抗拉強(qiáng)度要大于3Mpa。

選用不同的膠水，按照相同的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)程序，通過(guò)交叉試驗(yàn)和驗(yàn)證，選用合適的膠水，本電池模組最終選用的膠水為T(mén)OTAL 6082。膠水選定后，接下來(lái)要確定量產(chǎn)階段的涂膠工藝參數(shù)。主要的工作是通過(guò)設(shè)置工藝參數(shù)矩陣，在實(shí)際產(chǎn)品上驗(yàn)證膠槍的移動(dòng)速度，膠槍噴嘴到產(chǎn)品的距離，膠水固化的溫度和時(shí)間。通過(guò)驗(yàn)證抗拉強(qiáng)度測(cè)試和靜壓爆破測(cè)試（爆破壓力大于10Bar），可以確定最優(yōu)的工藝參數(shù)組合[5]。

下面介紹下電池模組冷卻通道的設(shè)計(jì)，基本思路是冷卻通道中的冷卻液在每層的流速盡可能接近，這樣可以降低整個(gè)冷卻系統(tǒng)的壓力損失。同時(shí)冷卻液要流經(jīng)冷卻通道的每個(gè)區(qū)域，尤其是冷卻通道的邊角處，這樣可以提高整個(gè)散熱鋁板接觸面積的利用率，并保證與冷卻液接觸的散熱鋁板的溫度一致性。冷卻通道的優(yōu)化可以通過(guò)三維建模和CFD流體仿真，迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可以得到比較理想的冷卻通道設(shè)計(jì)。在流道設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先與客戶(hù)確認(rèn)電池模組冷卻系統(tǒng)冷卻液總輸入流量和最大可允許流速，這樣可以確定最小流道截面面積，根據(jù)電池模組周邊零件的邊界限制，可以確定一個(gè)合理的流通截面面積。其次是定義冷卻通道入口和出口的位置，根據(jù)流體仿真的迭代計(jì)算，發(fā)現(xiàn)冷卻通道入口和出口分別設(shè)置在冷卻通道長(zhǎng)度方向上1/3處是比較合理的。然后是確定在散熱鋁板上開(kāi)孔的位置和開(kāi)孔大小，同樣的通過(guò)流體仿真的迭代計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在散熱鋁板的頂部和底部，每一側(cè)的前中后開(kāi)一個(gè)直徑為3mm的孔，這種冷卻通道設(shè)計(jì)可以明顯降低電池模組冷卻系統(tǒng)的壓力損失，整個(gè)電池模組壓力損失只有5.68Kpa(入口流量2升/分鐘，24個(gè)電芯)。然后用流體仿真模擬電池模組的快速充電，每個(gè)電芯發(fā)熱功率設(shè)定為35W，快速充電900秒，充電80% ，監(jiān)控每個(gè)電芯上溫度的分布，以及24個(gè)電芯之間最大溫差，冷卻液入口初始溫度23℃，冷卻液入口流量為2升/分鐘，這些參數(shù)是評(píng)價(jià)電池模組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理的重要依據(jù)。通過(guò)流體仿真計(jì)算，本電池模組在快速充電900秒后最大工作溫度38.6℃，24個(gè)電芯上平均溫度最大溫差為1.71℃，24個(gè)電芯每個(gè)電芯上最大溫差波動(dòng)范圍在0.16℃。熱效率仿真模型構(gòu)建和仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。從流體仿真結(jié)果看本電池模組冷卻系統(tǒng)能很好地滿(mǎn)足客戶(hù)要求。

圖4 軟包電池?zé)嵝史抡婺Ｐ?/p>

圖5 軟包電池模組電芯最高溫度分布

前期迭代的概念設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算可以最終鎖定本電池模組熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成后，可以啟動(dòng)軟模制作，用量產(chǎn)材料和接近量產(chǎn)的工裝設(shè)備制作出樣件，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證和過(guò)程驗(yàn)證的各個(gè)試驗(yàn)去驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，同時(shí)也會(huì)驗(yàn)證試驗(yàn)和仿真的符合性。比如前期的流體仿真得出的快速充電900秒后24個(gè)電芯上的溫度分布，與實(shí)際的樣件在熱效率試驗(yàn)臺(tái)架上測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果：24個(gè)電芯上最大工作溫度39.2℃，24個(gè)電芯上平均溫度最大溫差為1.6℃，24個(gè)電芯每個(gè)電芯上最大溫差波動(dòng)范圍在0.25℃，相比有著高度的一致性。通過(guò)前期的迭代仿真，可以縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，以及提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性和可靠性[6]。

除了上述提到的電池模組熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要功能和注意事項(xiàng)外，還要對(duì)冷卻通道上每層的冷卻液入口和出口處的密封結(jié)構(gòu)做詳細(xì)的可靠性設(shè)計(jì)。整個(gè)電池模組包括24個(gè)電芯，通過(guò)長(zhǎng)螺栓聯(lián)接裝配在一起，考慮到電池在生命周期末尾的膨脹力，電芯與鋁板之間會(huì)安裝EVA泡棉，吸收電池的膨脹。

最終產(chǎn)品裝配到客戶(hù)整車(chē)上，各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明能很好地滿(mǎn)足客戶(hù)最初的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

此電池模組熱管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)能很好地滿(mǎn)足客戶(hù)的技術(shù)和交樣需求，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)電池模組雙側(cè)冷卻的空白，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。