插电式混合动力汽车（PHEV）作为一种较新型的调合动力技术受到了人们越来越多的关注，与传统燃油汽车相比它能够保证发动机一直在高效率区运行，有效降低油耗和排放，与纯电动汽车（BEV）相比又具有较高的续驶里程。

但由于PHEV需要在纯电动模式和混合动力模式下运行，其配备的动力电池必须具有较高的能量密度和功率密度，所以在频繁的充放电和大功率使用时会产生较多的热量，导致电芯温度急剧升高。此外，PHEV电池包体积较大，通常安装于车辆底盘下部。

图1所示为我公司开发的某款PHEV车型电池布置安装情况通过螺栓固定在车辆底盘下部，此时电池非常贴近汽车排气管的位置，在扭动模式运行时，高温尾气会释放大量的热量导致电池的温度升高，而且安装在底盘下部的电池由于靠近地表，在夏季气温较高时，地表能达到60°C的温度，导致电池在更为苛刻的高温环境中工作。如果不进行有效控制，就会影响电池的寿命和性能，甚至引起安全事故。因此，必须设计合理的热管理系统，提高电池与环境的换热能力将电池工作温度控制在图2所示的适宜的温度范围内。

电池热管理系统根据工作介质的不同通常分为风冷系统、水冷系统、相变材料（PCM）冷却系统和热管冷却系统四类。并联式扭动汽车（HEV）配备的电池的能量密度较小，产热量不大，因此合理的风冷系统通常就可以满足电池的冷却要求；而插电式混合动力汽车（PHEV）和纯电动汽车（BEV）所配备的电池的能量密度和充放电功率大，在高倍率充放电过程中电池发热量很大，此时仅通过风冷的方式很难在不限制电池功率的条件下将电池温度控制在适宜范围内，因此通常配置水冷系统；相变材料冷却是利用相变材料较大的熔千七／凝固潜热，其在吸收／放出较多热量的情况下温度变化非常小，以维持电池在正常温度下工作；热管冷却方式则是利用具有非常高热导率的热管作的散热能力。

由于相变材料和热管冷却系统的制作工艺、维护成本较高，因此还很少应用于实际车辆搭载中。根据PHEV电池的工作特点和实际应用情况，设计了一种适用于PHEV电池的水冷式热管理系统并结合仿真和试验对该水冷系统的散热性能进行了验证。

1、热管理系统和传热结构

1.1热管理系统结构

结合本公司某PHEV车型37A•h磷酸铁鲤电池包的箱体结构特点设计了图3所示的电池热管理系统。该系统构成主要由以下部分构成：冷却板、冷却器、蒸发器、冷凝器、压缩机和电动水泵。冷却板与电池模组之间用导热垫片贴合，通过电动水泵驱动电池冷却板中的工质循环来实现电池与液冷板之间的换热，与电池换热后的工质则通过整车的空调系统进行冷却。

根据电池模组的安装位置、主要产热部位以及箱体的结构特点，设计了图4所示的液冷板。

该液冷板安装在电池包下箱体底部液冷板上表面与电池模组下表面通过一层导热垫贴合，共能均匀放置8个电池模组。液冷板主要由以下部件构成：缓冲垫、挤压多孔管、导热垫、吸水海绵、进出水口转接管、进出水管、进出水口、卡箍和集流管。由于挤压多孔管和集流管连接部位要求较小的形变量和较高的焊接精度，因此它们之间采用了轩焊工艺进行焊接。通过采用比母材熔点低的金属作为轩料，将焊件和轩料加热到高于轩料熔点且低于母材熔点的温度后，利用液态忏料润温母材填充接头间隙实现挤压多孔管和集流管间的连接。图5显示了实际的轩焊效果，可以看到挤压多孔管和集流管之间的焊点均匀光滑，能满足流道设计要求。

1.2电池包传热结构

图6电池包传热结构示意图液冷板安装在电池包箱体底部，模组均匀放置在液冷板上方。为了加强电池模组和液冷板之间的传热效果，在模组底部和液冷板之间有一层导热垫。对导热垫传热效果进行了测试，如图7所示，根据电芯厂商提供的电芯在3C充放电时的平均发热量，选择用一块工作电压为12V、额定功率为120W的加热板模拟电池工作放热。将厚度为1.5mm、热导率为2Wl(m·K）的导热垫按照电池包的装配方式与加热板贴合后进行传热测试，测量导热垫两侧的温差。结果如图8所示，可以看到导热垫两侧的温差仅有0.08吃，表明其具有较好的导热性。

2、仿真和测试结果分析

2.1在冷板流动分析

为确定冷却系统工作时流道内合理的冷却液流量，通过仿真软件Fluent对液冷板的流道进行分析。仿真的边界条件见表1。在进水口温度为45℃的条件下，分别模拟了入口流量为5L/min、8L/min、10L/min和15L/min时的流动状态。图9显示了在各不同流量时进出水口的压差，可以看到随着进水口流量的增加，液冷板的进出水口总压差增大。由于受到该热管理系统选定的电动水泵功率的限制，流道进出水口压差需控制在此Pa以内，故需将该液冷板内流量控制在10L/min以内。

2.2电池冷却系统传热效果仿真

根据图6所示的电池包传热结构，结合整车运行工况对电池包进行热仿真，基本传热模型如图10所示，8个模组串联，每个模组由12个电芯串联组成。表2为仿真中所参照的实际电池包的基本信息表3为仿真时的初始边界条件，图11为电芯厂商提供的电池随工况运行时的瞬时发热量。根据工况对电池在夏季工作时的温度变化情况进行了模拟，环境温度和电芯初始温度设置为45℃G先运行NEDC工况，在该过程中平均电流为15.6A，峰值电流为L85A0NEDC工况运行结束后，通过lC速率将电池充满电，静置5min，然后再运行NEDC工况。以此为一个循环，进行3次循环。此过程中对电池包持续通入温度为25司二、流量为101/min的冷却液。根据上述条件对电池包温度场进行模拟，结果如图12所示，从开始运行时电池包内各电芯温度开始快速降低，1150s时可将单体电池中的最高温度降低到40℃。在该过程中，经过约7350s（约第一个NEDC工况运行结束）后，电芯的温度随着运行工况呈现稳定的周期性变化。在后续循环过程中，电池包内电芯的最高单体温度均保持在32℃以内，电芯单体的最高温差不高于2‘5吃，确保电池能在最佳温度范围内工作，从而延长电池和使用寿命，提高电气性能。图13显示了过程中t=3200s时整个电池包的温度场分布，可更直观地看到各单体电池之间的温差很小，此时单体最高温度为29.9吃，单体最大温差为2.5吃，进出水口温差约为0.5吧。

2.3电池冷却系统试验结果

根据整车夏季的实际使用情况对电池的充放电温升进行了测试，条件见表4。电池包安装在乘客舱底部，夏季行驶温度通常高于40℃。因此这里在45吁环境下，将电池以lC速率充满后，进行循环NEDC放电，直至电池放空（出现单体电压达到最低截止电压2.8V）。根据前面的仿真结果，选择持续通入流量为10L/min，温度为25°C的冷却液。

图14对比了有无水冷系统时电池NEDC循环放电过程的温度变化情况，可以看没有水冷系统时电池的温度随循环的进行持续上升。在第七个NEDC工况运行完后最高温度达到了55吃，此时充放电设备保护系统开启，停止了放电过程。整个过程温差维持在2℃以内，平均温差只有1吃。开启水冷系统后，电池从充满状态到放空刚好进行了8个NEDC工况，水冷系统有效地降低了放电过程中电池的温度。从放电开始，电池的温度就开始持续降低，30min内（第二个NEDC循环内）将电池的温度降低到了40℃以下，在第三个NDEC循环结束后电池的温度趋于稳定。随着放电过程呈现规律性变化，放电结束后单体的最高温度控制在33°C以内，降低了40%，有效地对电池进行了温度保护。

图15对比了45℃下，不同进水温度对电池l/3C充电过程温度的影响。可以看到充电结束后电池截止温度随着进水口温度的降低而降低。没有开启水冷装置时，充电结束时电池的温度高于50℃，而通入20℃冷却液后，充电结束后的最高温度仅有25汇，单体最大温差也能控制在2.6℃以内。值得注意的是，随着冷却液温度的降低，其与环境之间的温差变大，导致电池单体之间的最大温差和平均温差增加。在通人20℃冷却液条件时，充电过程中单体之间的平均温差达到了2.55℃，最大温差达到了3℃；而在没有开启水冷时，平均温差和最大温差仅有0.53吁和1吧。这是因为冷却液和环境之间过大的温差，使电池包内部的温度梯度变大，导致与液冷板空间距离和接触面积不同的电芯之间的传热差异变大。为降低该因素的影响可在满足温度控制的条件下适当降低冷却液与环境之间的温差。

3、总结

1)设计了基于口琴管结构的动力电池冷却系统，并对该结构进行了仿真，结果表明在给定的45℃环境温度条件下与NEDC工况条件下，该冷却系统能保证电池单体温度在30吁以内，温差在2.5℃以内。

2）对同一工况条件下的台架实测表明，该结构的冷却系统可使电池平均温度控制在33℃以内，温差控制在3℃以内，与仿真结果吻合0

3）随着进水口冷却液与环境之间的温差增大，循环放电过程的平均温度和最高温度降低，而单体电池之间的温差增大，因此需在满足冷却要求的前提下减小进水口冷却液和环境之间的温差。