黃愛芳

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545000）

1 引言

在中國(guó)汽車市場(chǎng)低碳化發(fā)展趨勢(shì)下，新能源汽車得到快速發(fā)展。目前，由于純電動(dòng)車型的成本較高，在價(jià)格上與燃油車的競(jìng)爭(zhēng)處于劣勢(shì)，且仍存在續(xù)航能力不足和安全性較低的問題。如今在油價(jià)居高不下的大環(huán)境下，價(jià)格略高于燃油車的混動(dòng)車型，其優(yōu)越的節(jié)油性能得到廣大消費(fèi)者的青睞，混動(dòng)汽車地位也隨之不斷提高，預(yù)估未來15年將快速替代傳統(tǒng)燃油車?；靹?dòng)車主要有48V輕混、油電混動(dòng)（HEV）、插電混動(dòng)（PHEV，含增程式）3種。PHEV可歸類為新能源車，48V輕混為代表的低成本節(jié)能路線只是過渡技術(shù)，短期內(nèi)具有生存空間，未來將被市場(chǎng)淘汰，而HEV混動(dòng)車型將成為車企車型更新?lián)Q代的主流方向。

不論HEV、PHEV還是EV車型，電池包是最重要的零部件之一，可以說在電動(dòng)整車中，電池包就是其心臟。電池包通過電源插頭進(jìn)行外部充電，向電動(dòng)機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)整車行駛，同時(shí)儲(chǔ)存制動(dòng)回收的能量。

HEV電池主要有鎳氫與鋰電這兩種方案。相較于鋰電電池而言，鎳氫電池最大的優(yōu)勢(shì)在于成本較低，而能量密度、循環(huán)次數(shù)和記憶效應(yīng)等方面均劣于鋰電。因此早期HEV電池大部分為鎳氫電池。隨著2014年之后全球電動(dòng)化進(jìn)程加速，鋰電池與相應(yīng)材料已形成規(guī)模化生產(chǎn)，鋰電池價(jià)格開始大幅下降，鎳氫與鋰電相比成本優(yōu)勢(shì)已快速縮窄，因此2018年鋰電占比已達(dá)43%。鎳氫早在2006年之前已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，主要推動(dòng)者為豐田+PEVE。鋰電方案的主要使用者為本田、日產(chǎn)等。豐田于2015年推出的經(jīng)典車型第4代普銳斯擁有鎳氫與鋰電2個(gè)版本，從制造成本與燃油效率看，二者相差不大，但由于鋰電池具有能量密度更高、體積更小、質(zhì)量更輕的特點(diǎn)，逐漸成為電動(dòng)汽車發(fā)展的主流方向。

HEV電池包的電量一般為1~2kWh，與50~100kWh電量的純電汽車電池包相比，電量非常低，但HEV電池包的主要功能在于具備高倍率充放電能力，給整車的啟動(dòng)、加速工況提供充足的動(dòng)力，從而降低油耗。HEV電池包在多次急加速、急減速工況下，電芯的溫度上升比純電車的電芯更加迅速。而當(dāng)鋰離子電池處于高溫環(huán)境時(shí)，電池的副反應(yīng)增加，從而導(dǎo)致循環(huán)過程中不斷消耗鋰離子，電池容量衰減加快，若電池內(nèi)部發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量來不及散失而在電池內(nèi)部迅速積累，可能會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生劇烈燃燒并產(chǎn)生爆炸；當(dāng)電池單體間溫差過大時(shí)，會(huì)造成電池模組內(nèi)各電池單體使用性能與容量衰減速率不一致，從而影響電池的整體表現(xiàn)。這時(shí)候就需要有一個(gè)性能較好的冷卻系統(tǒng)對(duì)電芯進(jìn)行降溫和溫度均衡。由于HEV的電池包比純電車的電池包更容易出現(xiàn)過溫情況，其對(duì)冷卻系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。而冷卻系統(tǒng)對(duì)電芯的降溫作用顯著與否，很大程度取決于冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

冷卻系統(tǒng)通常涵蓋自然冷卻、風(fēng)冷、空調(diào)循環(huán)冷卻、液冷等幾類。風(fēng)冷又分為主動(dòng)風(fēng)冷以及被動(dòng)風(fēng)冷兩類。

1）自然冷卻通常是沒有專門的冷卻裝置，電池包通過自然散熱達(dá)到冷卻，但是通常會(huì)設(shè)置部分熱傳導(dǎo)快的裝置，在外殼設(shè)置加快熱擴(kuò)散的設(shè)計(jì)。

2）風(fēng)冷就是通過加快空氣熱對(duì)流的方式，來帶走電池充電以及放電過程中產(chǎn)生的熱量。風(fēng)冷的設(shè)計(jì)和自然冷卻相比，能夠較大程度地提升冷卻效率，而且成本不高。但是，通常風(fēng)冷的電池包需要在電芯之間設(shè)置風(fēng)道，也就是間隙，這個(gè)做法較大程度地降低了電池包的空間利用率（體積能量密度），另外還需要設(shè)置進(jìn)風(fēng)口以及出風(fēng)口，不利于電池包進(jìn)行密封。被動(dòng)風(fēng)冷，也就是直接通過外部空氣進(jìn)行換熱。主動(dòng)風(fēng)冷，指的是預(yù)先對(duì)外部空氣進(jìn)行加熱或是冷卻之后，再進(jìn)入電池系統(tǒng)。

3）空調(diào)循環(huán)冷卻在部分高端車型使用，其熱管理效果不錯(cuò)，但是系統(tǒng)過于復(fù)雜，成本較高。

4）液冷，又名水冷，采用防凍液作為換熱介質(zhì)，在電池箱的內(nèi)部、電芯的側(cè)面或是底部設(shè)置冷卻板，冷卻板內(nèi)部放有較細(xì)的冷卻液管道，冷卻管道通過電池箱上面的輸入或是輸出接口和外部相連；外部管道有液壓泵用于驅(qū)動(dòng)冷卻液的流動(dòng)，還設(shè)置了加熱裝置或是散熱裝置，調(diào)控輸入到電池箱內(nèi)部冷卻液的溫度。液冷具有良好的冷卻效果，還能夠讓電池箱的溫度分布均勻，目前是比較主流的冷卻系統(tǒng)方案。

本文基于某款混合動(dòng)力乘用車的HEV電池包架構(gòu)，在相同的熱仿真工況下，對(duì)比電池包液冷板不同形式的冷卻效果，以期選出最適合應(yīng)用于該款混合動(dòng)力乘用車的HEV電池包液冷板結(jié)構(gòu)形式。

2 電池包液冷板結(jié)構(gòu)形式

HEV電池包的尺寸較為緊湊，從成本和冷卻效果角度考慮，液冷系統(tǒng)方案是最佳選擇。液冷系統(tǒng)的基本組成包括：電動(dòng)水泵、液冷板（起間接冷卻作用）、溫度傳感器、空調(diào)系統(tǒng)（壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器）、加熱器、液冷熱交換器。其中，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)責(zé)高溫工況提供冷卻功能；加熱器，低溫工況負(fù)責(zé)給冷卻液加熱。液冷系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液冷系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

液冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是影響冷卻效果好壞的關(guān)鍵因素，液冷板主要有如下幾種分類。

1）口琴管式液冷板：口琴管式液冷板具有成本低、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于其流道單一、接觸面積小、管道壁薄，導(dǎo)致其換熱效果一般，且承重能力較差。

2）沖壓式液冷板：沖壓式液冷板具有流道可任意設(shè)計(jì)、接觸面積大、換熱效果好、生產(chǎn)效率高、耐壓與強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)，但由于其需要開模，因此成本較高，且對(duì)平整度要求高，安裝難度大。

3）吹脹式液冷板：吹脹式液冷板具有成本低、換熱效果好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于其材質(zhì)偏軟，因此在耐壓與強(qiáng)度方面存在較大的短板。

4）壓鑄箱體攪拌摩擦焊液冷板：這種將壓鑄箱體與鋁蓋板通過攪拌摩擦焊連接成型的液冷板具有可靠性好、承重能力好、表面平整度好、換熱效果好等優(yōu)點(diǎn)，但由于其厚度較厚且加工方式復(fù)雜，因此成本高、質(zhì)量重且空間占有率高。

動(dòng)力電池包的液冷板形式多種多樣，不同的液冷板結(jié)構(gòu)形式適合不一樣的車型以及不一樣的電池系統(tǒng)，究竟哪種液冷板更適用于HEV電池包，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在液冷板設(shè)計(jì)定型前，就需要對(duì)不同結(jié)構(gòu)的液冷板進(jìn)行熱仿真分析，比較最高溫度及溫差大小，選擇綜合性能最優(yōu)的方案。

本文主要是研究口琴管液冷板和壓鑄箱體攪拌摩擦焊液冷板的冷卻效果差異，為HEV電池包的液冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇提供參考方向。

某混合動(dòng)力車型的電池包液冷板壓鑄箱體攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)形式如圖2、圖3所示。

圖2 壓鑄箱體攪拌摩擦焊液冷板電池包爆炸圖

圖3 壓鑄箱體攪拌摩擦焊液冷板底部視圖

該混合動(dòng)力車型的電池包液冷板口琴管結(jié)構(gòu)形式如圖4、圖5所示。

圖4 口琴管形式液冷板電池包爆炸圖

圖5 口琴管形式液冷板截面視圖

3 熱管理仿真分析

本文采用熱力學(xué)分析軟件對(duì)某HEV動(dòng)力電池包進(jìn)行熱管理仿真。在進(jìn)行仿真前，需設(shè)置相關(guān)仿真工況及相關(guān)零部件熱物性參數(shù)，具體工況和參數(shù)分別見表1和表2。

表1 仿真工況

表2 零部件熱物性參數(shù)表

根據(jù)表1、表2的參數(shù)設(shè)置，采用相關(guān)熱力學(xué)軟件對(duì)兩種液冷板結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行熱仿真分析，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 壓鑄箱體電芯頂面溫度曲線

圖7 口琴管電芯頂面溫度曲線

根據(jù)兩種形式液冷板的電芯頂面溫度曲線，可提取匯總數(shù)據(jù)，輸出重要溫度點(diǎn)，見表3。

表3 電芯頂面重要溫度點(diǎn)匯總

由圖6、圖7及表3可知。

1）電芯頂面最高溫度對(duì)比：兩種形式的液冷板最高溫度分別為48℃和47℃，相差不大，均滿足最高溫度≤60℃的要求。

2）電芯頂面最大溫差對(duì)比：兩種形式的液冷板，在冷卻至240s時(shí)，采用壓鑄箱體液冷板形式的電芯最大溫差，明顯比采用口琴管液冷板形式的電芯頂面最大溫差小，差值為3.43℃，且采用壓鑄箱體液冷板的電芯頂面最大溫差值2.86℃，滿足≤5℃的要求，而采用口琴管液冷板形式的電芯頂面最大溫差6.29℃，不滿足目標(biāo)值≤5℃的要求。

綜上所述，壓鑄箱體攪拌摩擦焊液冷板的冷卻效果比口琴管液冷板更優(yōu)。

4 結(jié)語

電池包液冷板的結(jié)構(gòu)形式與液冷板的冷卻效果密切相關(guān)。為對(duì)比分析電池包液冷板不同結(jié)構(gòu)形式的冷卻效果，本文基于某款混合動(dòng)力乘用車的HEV電池包架構(gòu)，在相同的熱仿真工況下，采用熱力學(xué)分析軟件對(duì)口琴管液冷板和壓鑄箱體攪拌摩擦焊液冷板進(jìn)行數(shù)值仿真。結(jié)果表明，在該款混合動(dòng)力乘用車HEV電池包架構(gòu)下，壓鑄箱體攪拌摩擦焊液冷板的冷卻效果比口琴管液冷板更優(yōu)，采用壓鑄箱體攪拌摩擦焊液冷板結(jié)構(gòu)形式能取得更好的冷卻效果。