《动力锂电池液冷系统设计》
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[摘 要]随着用户对电动汽车的要求提高,在大倍率充放电工况下,传统的自然冷却和强制风冷往往不能满足散热要求,而散热效率更高的液冷方式越来越成为关注的焦点,同时越来越多的工作也正在投入到液冷系统的开发中来.通常我们所说的液冷系统指的是电池系统内部的液冷系统.实际中一套完整的液冷系统不仅包括电池系统内部的液冷系统,同时还包括电池系统外部的液冷系统.本文将依次从液冷工质、液冷板焊接方式、模组热设计和液冷系统的设计流程这四个方面入手,对于电池系统内部的液冷系统设计进行描述.
[关键词]电动汽车,电池冷却,液冷系统
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0133-01
1液冷工质
液冷工质是液冷系统的工作介质.动力电池系统的液冷工质是十分重要的.在选择液冷工质时需要从传热能力、黏度、使用温度范围、电绝缘性、腐蚀性、可燃性、毒性和费用等方面综合考虑.根据液冷工质电导率的不同,在使用过程中,液冷工质可以分为直接接触式和间接接触式.直接接触式可以与电芯直接接触,并将热量散入环境中,硅油和蓖麻油属于直接接触式液冷工质.间接接触式的液冷工质,不能直接与电芯接触,通常需要利用金属容器进行盛装,并利用金属容器与电芯进行接触从而将热量散入环境中,在金属容器与电芯间需添加绝缘层,水和乙二醇溶液属于间接接触式液冷工质.
2液冷板焊接方式
电池系统中用于盛装间接接触式液冷工质的金属容器称为液冷板.液冷板由铝型材通过模组挤出或者冲压的金属管或金属板经过焊接成型.常见的铝型材焊接有钎焊,搅拌摩擦焊和无料钎焊三种.这三种焊接方式应用于液冷板焊接,各有利弊.钎焊常见于传统汽车散热器焊接,它是利用液态钎料润湿母材、填充接头间隙并与母材相互扩散以连接焊件,钎焊可以完成复杂的焊接结构,且焊件的厚度可以做到非常薄,这对于液冷板减重来说十分有利.搅拌摩擦焊,是利用焊头与工件端面相互运动、摩擦所产生的热,使端部达到热塑性状态并完成焊接的一种方法,这种焊接方式要求焊件自身有足够的强度（铝型材壁厚不小于2mm）,因此这种焊接方式成型的液冷板自身具备足够的支撑力,可以作为结构件使用,但液冷板的厚度和重量都比较大；无料钎焊是在钎焊的基础上发展而来的,其冷板厚度和重量都可以做到比较小,对于箱体内部尺寸和轻量化要求高的情况有较大的优势.从厚度方面来看,无料钎焊成型的液冷板的厚度最小,其次是钎焊成型的液冷板,最厚的是搅拌摩擦焊成型的液冷板；当前钎焊的应用相对来说多一些.
3模组热设计
对于液冷系统来说,模组的设计尤为重要,它是液冷系统设计的出发点,目前常见的模组类型有三种：方形模组、软包模组、圆柱模组.
3.1方形模组
对于方形模组来说,一般会采用电芯的底面作为热设计的界面,液冷系统设计也是如此.电芯产生的热量通过底面传递到导热胶层,然后传递给液冷系统并最终散入环境中.
3.2软包模组
目前软包模组的液冷设计有两种方式：一种是在电芯之间增加导热金属板,导热金属板折弯并与液冷板接触,电芯产生的热量先传导到金属板上,然后通过金属板传递给液冷系统并散入环境中；另一种方式是在软包电芯之间安装液冷板.
3.3圆柱模组
目前圆柱模组的液冷设计基本都是采用同Tesla的結构,即采用“蛇”形的钎焊液冷板缠绕圆柱电芯的圆柱面,电芯产生的热量通过电芯的圆柱面传递给液冷系统,然后通过液冷系统将热量散入环境中.
4液冷系统设计流程
整个液冷系统设计的流程可以分为设计目标、系统总体方案设计、传热路径设计、液冷回路设计、液冷板设计、冷却策略设计、机械结构设计、仿真分析和测试验证.
4.1设计目标
在液冷系统设计之前,首先要明确系统设计的目标.对于一个相对完整的液冷系统,它的设计目标至少包括7部分：电芯温度控制、电芯之间温差控制、系统压降控制、空间限制、质量限制、可靠性要求和安全性要求.
4.2总体方案设计
液冷系统总体方案设计在整个电池系统设计过程中起到承上启下的作用.一方面,液冷系统作为电池系统的一个子系统,它的总体方案设计需要与电池系统的方案设计匹配,并与电池系统方案设计同步完成.
另一方面,液冷系统总体方案作为各液冷子系统和液冷零部件的总括,它需要保证所有液冷子系统和液冷零部件能协同动作.一般液冷系统的总体方案需要包括以下内容：传热路径概念设计、液冷回路概念设计、液冷板概念设计、冷却策略概念设计、机械结构概念设计等.
在总体方案确定之后,需要对传热路径设计、液冷回路设计、液冷板设计、冷却策略设计、机械结构设计等进行详细设计
4.3传热路径设计
液冷系统传热过程可以归纳成三条传热路径：一是热量从电芯内部传递到电芯外表面；二是热量从电芯外表面传递到液冷板冷却表面；三是热量从液冷板冷却表面传递到电池系统外部.这三条传热路径是串联的关系,因此需要对这三条传热路径进行逐一的优化设计,从而使整个系统的传热效率达到最优.
4.4冷却策略设计
在实际中,出于节能的考虑,外部液冷系统的空调和电子泵不是常开的,其开启和关闭根据电芯的实际温度来确定：当电芯的温度高于一定值时,为了将电芯的温度控制在设计目标之内,需要开启空调和电子泵；当电芯的温度低于一定值时,出于降低能耗的考虑,会关闭空调和电子泵.
冷却策略的设计流程,首先将初步设计的冷却策略出入到CFD仿真模型中,经过数值计算可获得整个热场和流场随时间变化的曲线；接着从仿真结果中提取出电池的最大温升、电池间的最大温差和能耗等数据,并将其与设计目标进行比较,若满足设计目标,则进行测试验证,若不满足,则需要根据仿真结果调整冷却策略,然后将新的冷却策略输入到CFD模型中去,直至测试验证满足设计要求.
4.5机械结构设计
对于液冷系统设计来说,系统方案设计、传热路径设计、液冷回路设计、液冷板设计和冷却策略设计属于软件层面的设计,它们得以实现的硬件基础是机械结构设计.液冷板的设计主要包括液冷板安装、管路连接和管路固定三个方面.
4.6仿真分析
液冷系统设计过程中主要参数,都可预先通过工具进行仿真分析和优化设计,再通过测试进行验证,从而节省成本和周期.在确定液冷系统的设计目标后,通过CFD工具预先验证液冷系统的传热路径设计、液冷回路设计、液冷板设计、冷却液入口温度设定、冷却液流量设定以及液冷策略设计等参数是否合理.
4.7测试验证
对于液冷系统来说,测试验证是至关重要的.液冷系统的功能、可靠性和安全性等最终都需要通过实验进行验证.一般功能性测试在A样进行,可靠性测试和安全性测试在B样进行.功能性测试包括：气密性、能耗、散热性能、温度均匀性、加热性能、保温性能；可靠性测试包括：爆破试验、静压强度、耐高温试验、耐低温试验、压力交变实验、盐雾试验、内部腐蚀性试验、震动冲击测试.
5结论
本文从动力电池液冷系统设计入手、深入分析了电池液冷系统设计方法,对于电池的液冷系统设计流程进行介绍,为电动汽车锂电池的液冷系统设计提供了思路和方法,对于锂电池pack从业者具有参考意义.
参考文献
[1]崔胜民.新能源汽车技术解析[M].北京：化学工业出版社,2017.
[2]王芳,夏军.电动汽车动力电池系统[M].北京：科学出版社,2017.
综上所述，这篇文章为适合不知如何写液冷和锂电池和系统设计方面的系统设计专业大学硕士和本科毕业论文以及关于系统设计论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料.
系统设计引用文献:
[1] 最新超市管理系统设计论文选题参考 超市管理系统设计论文题目选什么比较好
[2] 优秀计算机控制系统设计论文选题 计算机控制系统设计论文题目怎样定
[3] 经典信息系统设计论文题目 信息系统设计毕业论文题目如何定
