电动汽车电池包箱体保温性能研究与优化

2021-10-25 16:23:37·  来源:电动学堂  作者:孙哲等  
 
文章来源:1.贵州大学工程训练中心2.河北工程大学机械与装备工程学院0前言动力电池工作性能受温度影响较大,其合适的工作温度为20℃~40℃,温度过高或过低都会
文章来源:1.贵州大学工程训练中心2.河北工程大学机械与装备工程学院

0前言
动力电池工作性能受温度影响较大,其合适的工作温度为20℃~40℃,温度过高或过低都会影响其性能甚至产生损坏。为使动力电池组能够工作在合适的温度范围内,动力电池包通常会设置热管理系统。电池包热管理系统包括冷却、加热和保温三大功能。
本文采用热流耦合的仿真方法对电池包的保温设计进行研究,主要内容为钢制与铝制电池包箱体的保温性能进行对比研究与不同方案的优化设计。
1影响电池包箱体保温性能因素分析
对于电池包箱体的保温性能的评价,可以将许多复杂的因素归结为总的传热系数来表示,即:

总的传热系数可以理解为综合传热系数。电池包箱体的总的传热系数与箱体材料的导热性能、电池包内气体状态、箱体外壁处的空气流动状态和电池包的密封情况有关。因此电池包箱体的总传热系数可以用与上述因素有关的物理参数来表示,即:

通过对上文公式进行分析,可以得出影响电池包箱体保温性能的主要因素为保温材料的冷桥的存在。假设在理想状态下,即保温材料完全的铺满电池包上盖和下箱体的内壁,很薄的保温材料就能达到比较理想的保温效果,但由于电池包的特殊结构会有冷桥的存在,如图1,使得电池包箱体的保温性能大幅下降。

2电池包箱体热分析有限元模型构建
2.1电池包箱体三维模型建立
本文基于某款纯电动车型的动力电池包箱体进行保温性能的研究,该车型的动力电池包冷却方式为液冷,上盖为SMC材料,下箱体分为钢制与铝制两种。通过使用Catia软件对钢制与铝制电池包箱体进行建模,电池包箱体的三维模型如图2所示。

2.2电池包箱体热分析有限元模型的构建
本文通过使用Hypermesh软件对钢制与铝制电池包箱体热分析的有限元模型进行前处理工作。通过使用Taitherm软件对网格模型进行边界条件的设置和进行热求解。
2.2.1网格划分
针对Taitherm软件对网格的要求在Hypermesh中设定网格标准,通过Hypermesh进行网格划分后的网格模型如图3、图4所示。

2.2.2热求解设置
通过模型浏览器中的EditorTab对每个部分的零件类型、材料、厚度、表面发射率、初始温度和对流传热的相关参数进行设置,如图5所示。相关参数设置好后,检查模型并提交计算。

3箱体保温性能对比研究与优化设计
3.1电池包保温性能仿真分析的边界条件与参数变量
根据某企业标准,需要对动力电池包进行夏季保温工况和冬季保温工况进行仿真分析,工况参数见表1。保温性能标准为:4小时内电芯的平均温度变化率<2℃/h。

根据是否增加箱体隔热保温材料,提出两种方案见表2。并根据不同的方案的仿真分析结果进行优化设计。

综合考虑生产成本与保温性能,方案二初步选择海绵橡胶作为电池包的保温材料,厚度为5mm。
3.2电池包箱体保温性能仿真计算结果
对钢制与铝制电池包箱体模型进行稳态计算,如图6所示,可以得出结论为:电池包下箱体为主要的传热部件,通过增加海绵橡胶后隔热保温性能会有提升。

对钢制与铝制电池包箱体模型进行瞬态计算,得出其不同工况下不同方案的温度变化,如图7、图8、图9、图10所示。

3.3钢制与铝制电池包隔热保温性能差异性研究
3.3.1保温性能对比
对电池包的瞬态仿真结果进行整理可以得出:钢制与铝制电池包夏季工况隔热性能对比(表3)、钢制与铝制电池包冬季工况保温性能对比(表4)。

对上述数据进行比较分析可以得出:
(1)电池包在夏季工况下的隔热保温想能优于冬季工况。
(2)铝制电池包的隔热保温性能优于钢制电池包。
(3)电池包在增加保温材料后隔热保温性能会有提升。
(4)钢制电池包在夏季和冬季工况下两种方案均不满足设计要求。
3.3.2隔热保温性能差异性研究
根据稳态仿真结果分析,电池包的下箱体为主要的散热部件,所以主要对电池包下箱体进行研究。主要考虑到钢制与铝制电池包下箱体材料不同和结构不同。
首先考虑下箱体材料的不同,钢材的导热系数为36〜54W/(m·k),铝合金的导热系数为160W/(m·k),铝合金比钢材的导热性能强,与仿真结果相反,因此材料导热性能不是影响本文电池包隔热保温性能的主要原因。
其次考虑下箱体结构的不同,刚制与铝制电池包下箱体截面图如图11所示。钢制电池包下箱体底板为单层高强钢板,其厚度为0.8mm,铝制电池包下箱体底板为多层中空结构,其厚度为15mm。中空结构内存在空气,空气的导热系数约为0.0267W/(m·k)远小于钢材和铝合金的导热系数,所以即使铝合金的导热性能比钢材的高,但是由于中空结构中的空气使得铝合金下箱体整体的导热性能比钢制电池包的导热性能低。因此电池包下箱体结构是影响本文电池包隔热保温性能的主要原因。

3.4箱体隔热保温方案优化
3.4.1钢制电池包方案优化
根据仿真的结果,目前钢制电池包的保温性能无法满足冬季工况设计要求,需要对其进行优化。
方法一:通过增加海绵橡胶的厚度来提升电池包下箱体的保温性能。保持上盖保温材料厚度不变,将下箱体保温材料的厚度由原来的5mm增加到15mm并使用Taitherm软件进行仿真分析,根据结果计算出4小时内电芯的平均温度变化率为2.58℃/h,仍然无法满足设计要求。由于电池包内空间限制无法继续增加保温材料的厚度。
方法二:选用保温性能更高的材料。综合考虑保温性能与生产成本选取泡沫石棉为下箱体的保温保温材料,材料厚度的选择通过使用Taitherm算进对模型多步迭代计算,最后得出当泡沫石棉厚度为15mm时,4小时内电芯的平均温度变化率为1.92℃/h,电池包保温性能满足设计要求。
3.4.2铝制电池包方案优化
根据仿真的结果,铝制电池包的隔热保温性能较好,即使在不增加保温材料的情况下仍然满足设计要求,但考虑到电池箱体还需要具备一定的防止热传播功能和尽量降低成本,只在铝制电池包上盖内部粘贴5mm厚的泡沫橡胶。通过Taitherm软件对该优化方案进行仿真验证,其结果满足设计要求。
4结论
本文以纯电动汽车的动力电池包箱体为研究对象,通过三维建模和有限元仿真的方法对钢制与铝制电池包箱体的保温性能进行了对比研究,得出了铝制电池包箱体由于其下箱体采用中空结构,所以其隔热保温性能优于钢制电池包箱体。并对根据仿真结果对两种电池包箱体的保温设计方案进行了优化,钢制电池包采用上盖粘贴5mm厚的海绵橡胶、下箱体粘贴15mm厚的泡沫石棉的方案;铝制电池包采用只在上盖粘贴5mm厚的海绵橡胶的方案。
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