基于低溫工況的純電動(dòng)汽車電池保溫設(shè)計(jì)

汪志祥 譚雨點(diǎn)

摘 要：針對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰離子蓄電池包在低溫工況下散熱嚴(yán)重導(dǎo)致溫差較大的問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一種電池包保溫層，以某純電動(dòng)汽車電池包為樣本，對(duì)電池包及模組進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真及低溫靜置試驗(yàn)，結(jié)果表明：在低溫-20℃工況下，樣品電池包增加保溫層設(shè)計(jì)后，電池的最大溫差和降溫速率都明顯減小，整包保溫性能得到改善。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;電池包;低溫工況;保溫性能

中圖分類號(hào)：U469.72+2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）19-18-03

Heat?Insulation?Optimization?Design?of?Battery?Pack?of?Pure?Electric Vehicle

Based?on Low?Temperature?Working?Condition

Wang Zhixiang， Tan Yudian

（Engineering?Research?Institute?of?Chery?New?Energy?Automobile?Co.，?Ltd.， Anhui?Wuhu 241002）

Abstract： For pure electric vehicles power lithium ion battery pack under the working condition of low temperature heat serious lead to the problem of large temperature difference， thermal insulation， this paper designs a battery pack to a pure electric vehicle battery pack as samples， the battery pack and module temperature field simulation and let stand at low temperature test， the results show that in low temperature 20℃ condition， sample after adding insulation layer design to the battery pack， battery maximum temperature and cooling rate are obviously reduced， the whole package thermal insulation performance is improved.

Keywords：?Pure?electric?vehicles;?Battery?pack;?Low?temperature?condition;?Heat?preservation

CLC NO.： U469.72+2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-18-03

前言

目前，新能源汽車行業(yè)主要將鋰離子蓄電池作為主要儲(chǔ)能元件，也是純電動(dòng)汽車中最關(guān)鍵的核心部件，電池所儲(chǔ)存的電量直接影響新能源汽車的續(xù)航里程，因此其性能的好壞直接影響著電動(dòng)汽車的發(fā)展進(jìn)程。鋰離子動(dòng)力電池相比其他類型電池具備能量密度高、單體電壓高、充放電特性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，但和其他類型電池一樣，鋰電池也同時(shí)具備低溫性能差的電化學(xué)缺陷，當(dāng)環(huán)境溫度在O℃及以下時(shí)，鋰電池的性能也會(huì)大幅地衰減，主要表現(xiàn)在容量減小和充放電倍率降低，隨著純電動(dòng)汽車的不斷推廣，在低溫工況的使用研究變得尤為重要。

純電動(dòng)汽車在冬季低溫環(huán)境下使用時(shí)，電池包散熱嚴(yán)重，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)會(huì)控制加熱元器件對(duì)鋰電池進(jìn)行加熱，根據(jù)普通用戶的一般用車習(xí)慣，電動(dòng)汽車在日間使用后，電池包內(nèi)會(huì)積攢一定的熱量，夜晚靜置不使用時(shí)電池溫度會(huì)下降。因此需要對(duì)電池進(jìn)行保溫，本文設(shè)計(jì)了一種電池包保溫層，在低溫環(huán)境下將電池?zé)崃扛玫膬?chǔ)蓄起來(lái)，使電池溫度維持在合理區(qū)間，可以有效地提高純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池使用性能[1-3]。

1 保溫方案

1.1 某純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)

電池包為了滿足密封和強(qiáng)度要求，整包上殼體和下箱體采用金屬材料制成，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)較高，低溫工況下散熱嚴(yán)重，整包結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.2 保溫層設(shè)計(jì)

1.2.1 保溫材料的選擇

電池包內(nèi)使用的保溫材料除了導(dǎo)熱系數(shù)低之外，需具備阻燃、絕緣、柔軟和質(zhì)量輕等特點(diǎn)，根據(jù)表1中常用的保溫材料特性，氣凝膠的總體性能要優(yōu)于其他保溫材料，且氣凝膠具有良好的阻燃隔熱性能，因此選用氣凝膠作為樣品電池包的保溫隔熱材料。

1.2.2 保溫層布置

通過(guò)對(duì)不同保溫材料的性能對(duì)比分析，選用氣凝膠作為電池包的保溫層，氣凝膠保溫層形狀可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行裁剪加工，由于電池包內(nèi)模組表面形狀不規(guī)整，周邊布置有高壓銅排和低壓線束，因此將保溫層仿形粘貼在下箱體和上殼體內(nèi)壁。

2 電池包溫度場(chǎng)仿真分析

2.1 仿真模型建立

電池包系統(tǒng)中包含很多部件，因此在仿真過(guò)程中，需對(duì)電池包系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的部分模組支架、銅排和BMS等電子器件進(jìn)行簡(jiǎn)化去除，以便對(duì)電池包進(jìn)行前處理網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行保溫處理仿真時(shí)，由于保溫處理是將二氧化硅氣凝膠保溫層貼在箱體內(nèi)表面，所以電池包箱體內(nèi)表面均設(shè)置成絕熱壁面，構(gòu)成壁面的邊界條件，使仿真電池包達(dá)到保溫絕熱效果，不考慮輻射換熱[4-5]。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真試驗(yàn)參數(shù)是根據(jù)電池包內(nèi)各物件的材料屬性進(jìn)行設(shè)置，具體參數(shù)見(jiàn)下表2，將電池包長(zhǎng)時(shí)間靜置于-20℃低溫環(huán)境下，電池包箱體內(nèi)部及電池模組初始溫度40℃，電池包靜置時(shí)長(zhǎng)為10個(gè)小時(shí)，進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的電池模組最高、平均及最低溫度，對(duì)比電池包分別在有無(wú)保溫兩種情況下的保溫效果[6]。

2.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)電池包溫度場(chǎng)的仿真分析，得出整包在低溫工況下的降溫過(guò)程仿真云圖。

從圖3中可以看出，上層模組比底層模組降溫要慢，底層模組由于與下箱體有固定接觸，下箱體是金屬結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)比較高，因此底層模組在-20℃低溫環(huán)境下散熱快，溫度普遍較低。圖中（a）、（b）表示的是電池包仿真降溫后溫度，其中無(wú)保溫電池包模組最高溫度為36.75℃，模組平均溫度為24.2℃，有保溫電池包模組最高溫度為37.16℃，模組平均溫度為27℃。

由表3電池包有無(wú)保溫溫度數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在環(huán)境溫度-20℃，電池起始溫度40℃情況下，經(jīng)過(guò)5個(gè)小時(shí)的靜止時(shí)間，有保溫電池整體溫度比無(wú)保溫電池高，模組邊緣位置溫度偏低，最高溫度都在二層模組，有保溫電池包平均溫降速率為2.8℃/h，無(wú)保溫電池包平均溫降速率為3.3℃/h。根據(jù)平均溫降速率，電池包添加保溫層后，模組降溫速率明顯降低。

3 電池包低溫靜置試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

以某純電動(dòng)汽車電池樣包作為試驗(yàn)對(duì)象，共設(shè)置有18個(gè)溫感點(diǎn)采集不同位置電池溫度，熱管理系統(tǒng)采用液冷集成板對(duì)電池模組進(jìn)行控溫，液冷集成板安裝在模組底部，電池包需要進(jìn)行保溫時(shí)，即將箱體內(nèi)壁都粘上氣凝膠保溫層，分別粘在上殼體和下箱體的內(nèi)壁面。

氣凝膠保溫層為白色材質(zhì)，厚度2mm，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.02 W/（m·k），材質(zhì)阻燃等級(jí)為UL94-V0，使用溫度范圍為-40℃～130℃。

3.2 試驗(yàn)方案

（1）在-20℃環(huán)境溫度下，通過(guò)充放電，將電池SOC調(diào)整為100%SOC的狀態(tài)，開(kāi)啟熱管理溫控系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行加熱，為了縮短試驗(yàn)時(shí)間和電芯安全，電池溫度升溫不宜過(guò)高，因此電池升溫溫度穩(wěn)定在30℃;

（2）電池溫度穩(wěn)定在30℃左右后，此時(shí)熱管理溫控系統(tǒng)不工作，電池包在環(huán)境倉(cāng)內(nèi)靜置5h，電池管理系統(tǒng)采集各溫感數(shù)據(jù);

（3）分別進(jìn)行兩次測(cè)試，測(cè)試1為電池包有保溫層措施，測(cè)試2為電池包無(wú)保溫層措施，可以對(duì)比這兩種狀態(tài)下電池組的降溫速率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

電池包在低溫-20℃環(huán)境倉(cāng)靜置5h，BMS上位機(jī)監(jiān)控并記錄每個(gè)時(shí)間段電池單體溫度的變化情況。

由上圖表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，兩種情況下的截止最高溫度都為3℃，截止最低溫度相對(duì)升高，即電池包保溫后對(duì)高溫點(diǎn)影響不明顯，有效地提高了低溫點(diǎn)溫度;電池包在有保溫層時(shí)，各溫感點(diǎn)截止溫度最大溫差為4℃，無(wú)保溫層時(shí)，各溫感點(diǎn)截止溫度最大溫差為7℃;有保溫層電池包平均溫降速率為5℃/h，無(wú)保溫層電池包平均溫降速率為6.2℃/h;布置保溫層后的電池包降溫速率和截止最大溫差相對(duì)減小。

4 結(jié)論

本文提出了一種純電動(dòng)汽車電池包在低溫工況下的保溫層設(shè)計(jì)，對(duì)不同保溫材料的性能進(jìn)行比對(duì)，采用氣凝膠作為電池包內(nèi)的保溫材料，通過(guò)溫度場(chǎng)仿真和試驗(yàn)測(cè)試，在-20℃低溫工況下，布置保溫層后的電池包降溫速率和截止最大溫差相對(duì)減小，此保溫設(shè)計(jì)方法在電池包內(nèi)具有較強(qiáng)的適用性，能夠提高動(dòng)力蓄電池在低溫環(huán)境地區(qū)的使用性能。

參考文獻(xiàn)

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