雙層模組動力電池包熱管理設計與優化

李 斌 ，游道亮 ，湯桃峰

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

0 引言

某SUV動力電池包采用雙層模組設計，其中上層模組安裝結構采用冷卻板與支撐結構一體化設計。安裝形式Z方向從上往下依次是：上層模組→上層冷卻板→變截面支架→下層模組→托盤橫梁，如圖1所示。如圖2所示，冷卻板采用擠壓鋁型材工藝，中間有口琴式分布肋，起加強筋和均分流場的作用。模組和冷卻板之間安裝導熱墊保證有效傳熱。

圖1 雙層模組集成化設計

圖2 上層冷卻板內部流道與支架

為保證在各種復雜工況中電池包充放電性能具備良好的一致性，電池包熱管理設計溫差應小于5℃[1]。由此制作樣件裝配電池包，搭建測試臺架進行熱管理性能DV驗證。將電池包置于43 ℃恒溫箱，連接充放電設備進行直流充放電，同時連接液冷臺架（流量15 L/min，水溫18 ℃）對電池包進行冷卻。測試數據顯示，模組溫差8 ℃，遠大于設計要求的5 ℃，如圖3所示。

圖3 22個模組溫度分布

測試數據顯示最高溫度與最低溫度分布位置具有明顯的對稱性，電池包共22個模組，1～9號和20～22號12個模組為單層模組，10～14號為雙層模組的上層模組，15～19號為雙層模組的下層模組，模組編號方式如圖4所示。可以看出以35 ℃為中心線，單層模組的溫差都在±1 ℃，而雙層模組的上層模組高于中心線，處于上偏差，最高高于中心線3 ℃；下層模組低于中心線，處于下偏差，最低低于中心5℃，由此導致了整包模組溫差達到8 ℃。

圖4 模組編號示意圖

1 溫差過大原因分析

從溫度分布來看，上層模組冷卻不足，下層模組過冷。上層模組過熱，可能是傳熱受阻[2]，導熱墊貼合度差，傳熱效率低，導致上層模組熱量聚集，出現過熱。同時，在雙層模組的設計中，上層冷卻板作為承重支架安裝在下層模組的側板上，下層模組的熱能除了向下傳遞到下層冷卻板之外，額外增加一條傳熱路徑：模組側板→支架→上層冷卻板，雖然傳熱路徑相對向下層冷卻板較長，但在上層模組無法有效傳熱至上層冷卻板時，上層冷卻板溫度較低，增加了傳熱溫差梯度，導致下層模組傳遞了更多的熱能，導致過冷。

為分析溫差一致性差的原因，在雙層模組的傳熱路徑布置NTC溫度傳感器[3]，測試溫度分布。如圖5所示，溫度傳感器布置方案共布置26個傳感器、檢測模組、支架以及冷卻板。

圖5 溫度傳感器布置方案

如圖6所示，外置溫度傳感器數據顯示，從上層冷卻板到支架再到下層模組端板，溫度依次增加，表明下層模組通過端板傳熱到上層冷卻板確實存在（AUX_T13表示第13號溫度傳感器溫度數值）。

圖6 外置溫度傳感器溫度分布

由此推測溫差大的直接原因是上層模組與導熱墊接觸不佳，導致電芯至熱板的熱阻增加，無法有效散熱。為進一步驗證這一結論，將電池包進行拆解，觀察模組底部貼合情況。如圖7所示，上側圖片是上層模組導熱墊壓印情況，下側圖片為上層模組底部導熱墊接觸印記展示，導熱墊除兩端有褶皺外，中間較大區域表面光滑規則，模組靠端板兩側有導熱墊硅油壓印痕跡，中間大面積無壓印痕跡，表明模組約有50%面積未壓印到導熱墊上，導致熱阻增加，溫差擴大。

圖7 模組與導熱墊貼合情況

2 理論解析

導熱墊的導熱性能通常與壓合狀態強相關，壓縮力越大，壓合狀態越好，導熱系數越高，反之，壓縮力小甚至未壓合到位，導熱系數低，接觸熱阻大，不能起到良好的傳熱作用，電池會在充放電過程中出現熱量蓄積，進而出現過溫、溫差大等問題。

然而，導熱墊壓縮率受模組底部承壓力限制，過大的壓應力會導致模組內部電芯形變，影響電芯安全。因此，合理的壓應力是上層模組傳熱設計重點。模組通過端板橫跨安裝在冷卻板的兩側，冷卻板內側有大面積凹槽，用來安裝導熱墊，模組電芯底部壓合在導熱墊上，由此組成從電芯到導熱墊到冷卻板，再從冷卻板流到冷卻液的導熱路徑。如圖8所示，在導熱墊壓縮前厚度固定的情況下，模組底部到冷卻板凹槽的距離決定了導熱墊壓縮率，也就決定了壓應力，這個距離被稱為冷卻板貼合面深度。

圖8 模組與冷卻板壓縮貼合導熱墊示意圖

理論上，上層模組傳熱設計為保證電芯底部承壓力安全，以最大承壓力反推導熱墊的壓應力，根據導熱墊的壓應力-導熱系數曲線選型導熱墊，選好導熱墊厚度后即確定了貼合面深度。該電池包上層冷卻板的疊合面深度設計為1.2 mm；推導過程如下：模組底部層壓力需小于等于2 000 N。

式中：F為模組最大承受力+模組重力；A為模組底部導熱墊接觸面積；P為壓強。

導熱墊壓縮應力參數如表1所示，測試樣品規格為Φ29 mm×2 mm。

表1 導熱墊壓縮應力參數

式中：f為壓縮應力；P為測試壓強；a為樣件面積。

因此，根據應力參數可知導熱墊最大可允許變形量為27.5%；導熱墊原始厚度2 mm，因此壓縮后的厚度為1.45 mm；為保有余量，選型導熱墊壓縮后尺寸為1.5 mm。

由此得出冷卻板貼合面深度：

式中，H為導熱墊壓縮后高度；d為模組底部冷卻面到端板安裝面距離（簡稱模組安裝高度）。

基于RSS法計算尺寸鏈[4-6]、封閉環，如表2所示，導熱墊壓縮量為0.5 mm，基本覆蓋公差范圍為0.58 mm；因此推測出現電芯底部大面積未貼合的原因有二：

表2 理論尺寸鏈計算

1）尺寸鏈計算有遺漏或者偏差，未形成閉環。

2）樣件公差較大，未達到公差設計要求，導致超差較多。

該電池包的單層模組以及雙層結構的下層模組冷卻采用的是口琴管懸浮式安裝，口琴管底部粘有支撐泡棉，為保證支撐力，泡棉設計過程中同樣會考慮壓縮應力以及壓縮率的問題，因此在計算尺寸鏈時會考慮支撐墊的形變。而上層模組冷卻板作為剛性零件，并且模組安裝受力點在兩側，所以理論上安裝導熱墊導致的冷卻板形變很小可以忽略。如果形變較大，勢必會導致尺寸鏈計算偏差，因此，針對上層冷卻板進行CAE分析[7-8]，分析其在施加47.7 kPa時的形變情況，分析結果顯示，上層冷卻板中心位置最大形變為0.529 mm，大于導熱墊壓縮率，如圖9所示。由此計算實際尺寸鏈，如表3所示。

圖9 上層冷卻板應變云圖

表3 實際尺寸鏈計算

在增加冷卻板變形量平均0.25 mm后，尺寸鏈計算導熱墊壓縮量只有0.25 mm，公差疊加至±0.6 mm，由此導致電芯底部只在變形量小的兩側貼合到導熱墊，中間近一半位置無法貼合導熱墊，此為上層模組熱阻大，整包溫差大的根本原因。

3 優化設計與驗證

優化的方向是減小上層冷卻板凹槽深度，冷卻板形變呈對稱V型分布，兩側形變小，只有0.06 mm，中間大，為0.529 mm，因此優化過程中如果直接把冷卻板凹槽深度減少0.25 mm，兩側導熱墊的壓縮率會超過50%，壓應力會超過模組底部的承受力2 000 N，由此，優化計算需要將冷卻板槽深與導熱墊應力應變、冷卻板的應力應變進行耦合迭代，才能計算出既可以使模組底部全部貼合，也不超過電芯底部承受力限制的最優尺寸，耦合計算方式[9-10]如圖10所示，使用工具為Simulink。計算顯示冷卻板凹槽深度設計為1.05 mm可滿足模組底部承受力，也可以滿足導熱墊壓縮量覆蓋公差，此時電芯底部承受力為2 012 N，考慮到導熱墊壓縮外溢，超出12 N認為是可接受范圍。優化后計算尺寸鏈，如表4所示。

圖10 導熱墊與冷卻板應力應變耦合計算

表4 優化后的尺寸鏈計算

將優化后的上層冷卻板設計制作樣件后裝配至電池包，上層模組安裝后1 h后再拆除，觀察電芯底部壓合導熱墊情況，如圖11所示?？梢钥闯瞿＝M底部油印覆蓋率90%以上，導熱墊整體壓印褶皺明顯，表明優化后設計的導熱墊貼合較好。

圖11 優化后導熱墊壓合情況良好

將優化好的冷卻板裝包搭建臺架重新測試，測試工況電流與電池包最高最低溫度如圖12所示。測試結果顯示溫差控制在5 ℃以內，如圖13所示。電池包經過振動測試與耐久測試，模組完好無損傷，模組底部承壓力未超限值，上層冷卻板優化導熱墊貼合面，貼合面深度優化至1.05 mm，符合設計要求。

圖12 測試工況電流與電池包最高最低溫度

圖13 溫差變化曲線

4 結論

雙層模組動力電池包熱管理的設計挑戰大，容易出現溫差大的問題。原因在于雙層冷卻板設計需要考慮上層冷卻板剛性形變，導致上層冷卻板導熱墊貼合面深度超差，上層模組熱阻增加，熱量聚集，同時下層模組通過支架向上層冷卻板產生額外傳熱，產生過冷現象。

本研究通過尺寸鏈與CAE分析，將尺寸鏈閉環中導熱墊產生的形變、冷卻板的形變與電芯底部承受力限值進行耦合計算，校核出最優尺寸邊界（上層冷卻板貼合面深度從1.2 mm優化至1.05 mm），將電池包溫差控制在5 ℃以內，滿足設計要求。

工程傳熱設計中，0.1 mm的差距就可能是接觸與無法接觸的差別，無法有效接觸的情況下增加的接觸熱阻會導致電芯熱量蓄積，最終導致電池包溫差增大，那么在工程應用中有限的成本對應的有限公差控制情況下，每縮小0.1 mm的工程意味著巨大的成本，因此，優化設計才是最經濟可行的方法。在研究的過程中，尺寸鏈與CAE、Simulink多工具耦合的設計校核方法可以有效運用于復雜傳熱設計，掌握該方法可以高效提供設計方案，減少驗證費用，按傳統設計方法，該電池包的溫度一致性優化需要嘗試多種冷卻板貼合面深度，然后重復熱管理性能測試以及振動耐久測試，最少額外耗費50萬元驗證費用，額外增加開發時間至少60 d。因此，多工具耦合設計校核方法是經濟高效的傳熱設計方法。