【原】比亞迪海豹直冷冷板的開發與驗證

知化汽車 2025-06-23 發布于浙江

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這里主要分兩部分來看，一個是長刀片電芯的產熱特性，電芯的產熱特性對于電池包的熱管理系統開發來說是一個必不可少的重要輸入。

第二個是基于電芯的發熱特性和整包的系統設計，確定合理的冷卻方案，核心的就是液冷板的設計。

1、海豹長刀片電芯的基本參數與產熱特性

比亞迪海豹采用了長刀片電芯產品，是對漢EV 138Ah電芯的一次升級，基本的參數如下：

以下四張圖展示了該電芯在充電過程中不同位置的幾種發熱，以及各自的趨勢。從圖中我們可以看出：

（1）電池在充電過程中的總發熱包括歐姆熱、活性極化熱和電化學反應熱。

（2）離子歐姆熱是影響總發熱的主要因素，而電子歐姆熱在充電過程中接近于零。

（3）在負極，離子歐姆熱呈現出振蕩波動，反映出負極離子歐姆阻抗的變化。隨著時間推移，電化學界面熱量的變化由負值轉為正值，這與鋰離子石墨負極（LixC?）的熵變化與荷電狀態（SOC）曲線的趨勢一致。由于電化學界面熱的大小遠小于離子歐姆熱，負極的總發熱率與離子歐姆熱隨時間的變化曲線表現出相似的趨勢。

（4）就正極而言，離子歐姆熱的波動幅度更大，表明它在電池總體發熱中扮演著更重要的角色。值得注意的是，在充電初期，正極總發熱呈負值，說明此階段存在短暫的吸熱過程。主要的熱量來源是集流體中的電子歐姆熱和隔膜中的離子歐姆熱。雖然集流體單位體積的發熱量較小，但由于其總體積較大，因此整體發熱量不容忽視。

（5）通過計算可知，負極在初始階段的活性發熱約為 ?13.2 kW·m?3，隨后迅速上升至 4.3 kW·m?3，這一變化與電化學界面熱同步。相對而言，正極的活性熱在充電末期達到峰值，為16.1 kW·m?3。由于活性發熱反映了電極的過電勢程度，因此可以推斷出：正極的過電勢對整體電池的過電勢影響更大。

（6）電芯在運行過程中產生的熱量分為不可逆熱和可逆熱兩類。其中：不可逆熱包括歐姆熱和活性極化熱；可逆熱則來源于電化學反應過程。

從上圖可以看出，在0.2C的充電倍率下，總發熱趨勢與可逆熱的趨勢非常相似，這是因為在 0.2C充電倍率下，不可逆熱基本保持恒定。在整個充電過程中，可逆熱從負值逐步轉為正值，表明在此過程中既包含吸熱也包含放熱現象。在充電倍率增大時（如1C，1.5C和2C），可以看出，總發熱趨勢與不可逆熱的趨勢更為類似，這是由于不可逆熱增加，主要是因為電池出現更嚴重的極化現象。

（7）在整個充電過程中，刀片電芯整體的溫度呈現“兩頭高，中間低”的分布，這也為后續針對刀片電芯的冷卻給出了一個方向。

2、直冷冷板的設計與優化

海豹EV的電池包整體采用了CTB的技術方案，上蓋通過結構膠與電芯進行粘接，冷板與電芯之間有導熱結構膠，冷板和底護板之間有隔熱墊。總體方案如下所示：

作為換熱部件的流道結構，在直冷加熱系統中起著關鍵作用，直接影響冷卻加熱效率和溫度均勻性。根據電芯的排布，設計了具備多區多點匯流結構的直冷板。由于電池包在寬度方向上具有對稱性，直冷板也設計為寬度方向對稱。

（1）一個常規的設計如下。

在冷卻工況下，冷媒從中間入口進入直冷板，并分為兩股流向左右對稱的電芯區域，最終從出口流出，完成整個換熱過程。根據流道和熱量分布特點，在電池包兩側設置多個匯流點，冷媒在混合均勻后重新分配，從而減小各流道間的溫差，提升冷卻加熱效率及溫度均勻性。

為了掌握冷卻的實際效果，對整包進行測試分析，首先將20個溫度傳感器布置在相應的位置：

電池包由四部分組成，正負極耳位置的溫度最高。因此，每個模組的正負極耳處各布置兩個溫度傳感器。由于結構對稱，在中間極耳位置共布置四個溫度傳感器。實驗期間，12個溫度傳感器用于測量正負極耳的溫度。為比較每個模組正負極耳與中部的發熱及冷卻效果，每個模組中部布置兩個溫度傳感器，共需8個。

下圖展示了在38℃環境溫度下直流充電啟動5分鐘內壓縮機轉速和出口壓力的變化趨勢。隨著壓縮機轉速升高，出口壓力下降，最終在動力電池觸發冷卻指令后穩定在約0.6 MPa。

當電子膨脹閥打開后，出口過熱度暫時上升，隨后持續下降并最終穩定在約1℃。其原因是在初始階段冷媒量不足，導致出口過熱度升高；隨著冷媒流量增加，出口過熱度下降并趨于穩定。如下所示。

在38℃環境溫度下，電池的最高與最低溫度及其溫差隨時間變化情況如下：電池最高溫度保持在56℃以下（見下圖）；隨著充電時間增加，電池最高與最低溫度先升后降。這是因為在高電流充電初期，電池的發熱功率超過了冷板的冷卻能力；當電池最高溫度超過55℃時，按充電控制策略，充電電流被降低至200 A以下，隨后繼續減小，導致電池發熱功率小于冷卻能力，電池溫度持續下降。

同時，電芯間的溫差先升高后降低，最終趨于穩定。如下圖展示了電池包在溫差最大狀態下的溫度分布。

可見，電池包最大溫差約為11℃，明顯超過5℃的設計要求。這是由于當前設計的流道結構存在局部過熱問題。本設計采用上下對稱流道結構以實現冷媒在兩個區域的均勻分布，但實際中，冷媒在分流點無法均勻分配。實驗結果表明，上部區域冷媒較少，導致換熱效果差、溫度偏高。因此，為滿足設計要求，直冷板結構仍需進一步優化。

（2）優化設計

根據前述內容，高溫環境下電池包的發熱密度呈“兩端高、中間低”的分布，這可能導致冷媒在正負極耳位置“干涸”，形成局部熱點。為緩解甚至消除該問題，開發了冷卻板方案#1，如下圖(a)所示。該方案采用多級分區流道設計，即對高熱區進行獨立分區。雖然各流道獨立，但整體上為并聯結構。該設計可根據冷媒分流量及流道長度，調節各區域的冷媒質量流量。為增強兩端的散熱能力，流道在電池兩端密布（兩端流道間距為17 mm，中部為25.5 mm）。

此外，由于兩端發熱密度高且流道較長，直冷板在出口附近易出現熱點。為解決該問題，開發了方案 #2（見上圖(b)）。在多級分區基礎上，新增一條從入口到出口的大回路（紅線），用于溫度補償，專門應對出口處的熱點，滿足冷卻需求。

該新增流道還覆蓋電池包兩端的高發熱區域，從而提升直冷板的溫度均勻性。實驗中分別將兩種冷卻板方案應用于兩個電池包。為驗證兩個電池包的一致性，首先進行了容量測試。電池包采用恒流恒壓方式充電并記錄充電容量，充電30分鐘后以0.33C速率放電至截止電壓，記錄放電容量。該過程重復三次，測試結果見下圖。三輪充放電后，兩電池包平均充電容量差異為0.47%，放電容量差異為0.52%，說明兩電池包初始狀態基本一致。

完成容量測試后，對方案 #1和方案 #2的冷卻性能進行測試。對于方案 #1，下面兩圖分別展示了電池溫度隨時間變化和溫差最大時的溫度分布。可見，電池最高和最低溫度隨充電時間先升后降，最高溫度始終低于56℃；電芯溫差也呈先升后降后穩定的趨勢。相比常規的直冷板，方案 #1的溫度均勻性顯著提升，大部分局部熱點已被消除。說明多級分區設計有效縮短流道路徑，抑制冷媒干涸引起的局部過熱現象。然而，方案 #1下最大溫差仍達8℃，超出設計要求，說明多級分區仍難以徹底解決出口處的過熱問題。

對于方案 #2，下面兩圖展示了在溫差達到最大時的溫度變化及分布情況。可見，電池最高和最低溫度隨充電時間先升后降，在所有工況下最大溫度保持在52℃以下。且隨著充電時間增加，溫差基本保持穩定。方案 #2的最大溫差僅為4.1℃，滿足設計要求。新增的溫度補償回路能有效解決出口附近的局部過熱問題，提升溫度均勻性。

下圖對比了兩種直冷方案下的充電電流和SOC變化情況。結果表明，方案 #2的高功率充電時間更長，到達相同SOC所需時間更短。相比方案 #1，方案 #2將0%-100%的SOC充電時間縮短約7分鐘。

下圖對比了兩種換熱方案的能耗。在所有工況下，方案 #2的能耗均低于方案 #1。在38℃環境溫度下，方案 #2能耗比方案 #1降低18%。這主要歸因于方案 #2設置了單獨的流道連接入口與出口，提高了直冷板的換熱效率。因此，方案 #2在能耗和電池溫度均勻性方面均具有明顯優勢。

海豹EV的CTB技術奠定了比亞迪電池技術后期進一步集成的技術基礎，包括后來的漢LEV 10C方案，也沒有脫離這個整包方案，并在此基礎上優化成了上下的雙直冷冷板方案。

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BYD海豹EV 電池包冷板量產實物: