1.2 动力电池系统液体冷却式散热系统

1.2.1 液体冷却式散热系统工作原理

随着动力电池比能量越来越高，在电池组大倍率放电的情况下，电池组冷却需要的空气流速也越大，在产生巨大噪声的同时，风扇的功率要求也大大增加，逐步开始不满足电动汽车的需求，同时高温环境下空气冷却的效果也并不理想，所以空气对流换热技术已逐步不满足需求。当流体流经固体表面时，在固体表面附近，越接近固体表面，流体的流动速度越低，当与固体接触的距离非常小时，流体处于停滞状态，可以看成是流体与固体之间只有热传导存在。以水为例，已知常温下水的导热系数是空气的几十倍，而且水的比热容是空气的4倍，所以研究者通常认为液体流动换热比空气换热有更好的效果，更能满足动力电池的温控需求。

液体流动换热是使用导热系数比较高的液体直接或间接接触电池以带走热量的热管理形式。在结构设计方案中，既可以将电池直接放置于绝缘且导热系数高的液体中，也可以通过冷板等与电池接触，先将热量从电池组传入冷板，再通过冷板与液体间的换热将热量带出电池包。前者多采用硅基油、矿物油等有机油类，往往黏度很大，流动性弱；后者选用的介质为水、乙二醇、乙二醇与水的混合物等，流动性强，换热系数高，但是因为其不绝缘，必须做好管道密封，防止泄漏造成短路。

液冷模式即电池采用水冷方式换热，如图1.8所示。一般会增加一个换热器与制冷循环耦合起来，通过制冷剂将电池的热量带走。整个系统主要包括电子水泵、换热器、电池散热板、PTC加热器、膨胀水箱。电池需要冷却时，电池通过散热板与冷却液进行换热，加热后的冷却液被电子水泵送入换热器内，在换热器内部一侧通入制冷剂，一侧通入冷却液，两者在换热器内充分换热，热量被制冷剂带走，冷却液流出换热器再流入电池，形成一个循环。电池需要加热时，关闭制冷回路，开启PTC加热器，冷却液被加热后送入电池内部，通过散热板加热电池。可以通过控制制冷回路通断以及控制PTC加热功率，来控制冷却液的温度，从而控制电池内部温度。此种方案系统比较复杂，成本比较高。液冷是目前许多电动乘用车的优选方案，国内外的典型产品如宝马i3、特斯拉、通用沃蓝达（Volt）、华晨宝马之诺、吉利帝豪EV。

图1.8 液冷式散热结构图

1.2.2 液体冷却式散热系统研究现状

Wu.M.S等人研究了冷板主动式液冷散热，探究了冷板结构参数及使用条件对散热性能的影响；研究发现，波浪形的冷板散热效果最好，导热率高的冷板散热效果优于导热率低的冷板，电池通过与外界接触发生强制对流带走的热量远小于冷板带走的热量。

Jarrett.A等研究了冷板回环式流道散热结构（图1.9），利用优化采样法以板内通道布置位置、通道宽度为变量提取了几种不同的内部结构，利用流体仿真软件对冷板的压降与冷却目标的平均温度及方差进行了分析。对18种不同结构的散热冷板进行仿真分析，结果显示，管道越宽，冷板的平均温度和压降就越低；同时得出结论：采用流道逐渐变宽的设计可以有效提高电池温度的一致性。

袁昊等开发了一种U形管板式散热结构（图1.10），并通过CFD软件研究了不同进出口位置、管道直径、管间的排布距离对散热效果的影响，通过ISIGHT对进口速度与温度进行了联合优化；研究表明，采用优化组合后，温度差控制在2.6℃。

图1.9 回环式冷板结构

图1.10 U形管板式散热结构

饶中浩等设计了一个以水为介质进行散热的单相对流结构，通过研究发现相较于空气冷却介质，模型可使最高温度降低6℃，且当水的导热系数变大时，最高温度也会降低，为常规液体在电池散热中的使用提供理论参考。

张上安利用COMSOL软件对锂离子电池单体进行了仿真研究，得到了锂离子电池单体在不同条件下的温度分布特征，接着又对锂离子电池组在不同散热流道情况下的温度场进行仿真，结果发现分流S形流道的散热效果较好，如图1.11所示。

吴忠杰等为混合动力汽车用镍氢电池设计了一种采用夹套式液冷方式的热管理系统（图1.12）。其冷却效果好、结构简单，同时保证了电池温度的一致性，提高了电动汽车的动力性能。

图1.11 两通道S形冷板结构

图1.12 夹套式冷却结构