鋰離子動力電池包保溫性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃 偉，閻明瀚，劉華俊，徐宇虹，江吉兵

(億緯鋰能股份有限公司，廣東惠州516000)

純電動汽車(EV)在行駛過程中能夠真正實(shí)現(xiàn)零排放，是綠色環(huán)保的交通工具，已成為我國發(fā)展新能源汽車的重要方向[1]。電動汽車行駛時(shí)用電能不用燃油，大量應(yīng)用EV，可以減緩化石能源的消耗速度。

動力電池作為電動汽車核心部件之一，其性能直接影響電動汽車的行駛里程。鋰離子電池因其比能量高、循環(huán)壽命長、自放電率低和綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)[2]，成為電動汽車的首選動力來源。然而，鋰離子電池在低溫環(huán)境下使用，能量和功率衰減嚴(yán)重。電動汽車“過冬”時(shí)，往往采取電加熱電池組方式[3-9]來維持適宜溫度，使電池組可以正常工作。但給電池組加熱時(shí)使用的是自身存儲的電能，當(dāng)耗掉一部分電能后，會縮短電動汽車的續(xù)航里程。為了節(jié)能，冬季給電池包“穿衣”已成為必然趨勢。通過給電池包包覆保溫材料的方式，能夠有效地將低溫環(huán)境下電池使用時(shí)生成的熱量儲存起來，這樣，不用電加熱或短時(shí)加熱就能使電池維持在合適的溫度區(qū)間，提高電動汽車動力電池的性能和使用壽命[10-12]。

針對某款動力電池包，首先分析了其在低溫下的“痛點(diǎn)”和散熱路徑，在不降低模型精度基礎(chǔ)上，進(jìn)行了內(nèi)部保溫和外部保溫仿真設(shè)計(jì)和分析。以優(yōu)化的內(nèi)外保溫相結(jié)合的方案為藍(lán)本，進(jìn)行了保溫性能仿真驗(yàn)證。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

圖1 為某預(yù)研動力電池包結(jié)構(gòu)簡圖，主要由上蓋、模組、液冷板、導(dǎo)熱墊、箱體等組成。電池包由兩個(gè)1P23S 小模組和兩個(gè)1P32S 大模組組成，共包含110 顆電芯。考慮到電芯與液冷板之間存在接觸熱阻，在電芯與液冷板之間填充了導(dǎo)熱墊。液冷板通過與端板焊接，與模組形成一個(gè)整體。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 保溫工況下電池包低溫“痛點(diǎn)”分析

本文提到的低溫“痛點(diǎn)”是指靠近端板位置的電芯由于受到端板傳熱的影響，溫度較其他位置電芯要低，是重點(diǎn)保溫部位。圖2 為保溫工況下電池包溫度分布云圖。仿真結(jié)果顯示，保溫工況下電池包的低溫“痛點(diǎn)”主要集中在靠近端板的位置，靠近端板位置的電芯溫度最低，這也是造成電池包整體溫差較大的主要原因。

圖2 保溫工況下電池包溫度分布

圖3 為靠近端板位置的電芯散熱路徑示意圖，傳熱(散熱)有三條路徑：

圖3 靠近端板位置的電芯散熱路徑示意圖

(1)熱量通過電芯大面?zhèn)鬟f給端板，其中一部分通過端板傳遞給電池箱體，另一部分通過端板傳遞給冷板，然后通過冷板傳遞給電池箱體，兩部分熱量均通過電池箱體散失到環(huán)境中；

(2)熱量通過電芯底面?zhèn)鬟f給冷板，其中一部分通過冷板傳遞給電池箱體，另一部分通過冷板傳遞給端板，然后通過端板傳遞給電池箱體，兩部分熱量均通過電池箱體散失到環(huán)境中；

(3)熱量通過箱內(nèi)環(huán)境傳遞給上下箱體，然后通過上下箱體散失到環(huán)境中。

2 保溫材料的選取

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.12 W/(m·K)的材料稱為保溫材料，而把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.05 W/(m·K)的材料稱為高效保溫材料。保溫材料有隔熱棉、氣凝膠氈及真空隔熱板等，衡量一種保溫材料的好壞，并不能單獨(dú)考慮某一項(xiàng)指標(biāo)，而應(yīng)該考慮其綜合性能。

2.1 選取依據(jù)

保溫材料選取的依據(jù)主要如下：

(1)選材：一般以有機(jī)材料為主，優(yōu)選工程材料；

(2)導(dǎo)熱系數(shù)：對于保溫材料來說，導(dǎo)熱系數(shù)是評判保溫效果的關(guān)鍵因素，導(dǎo)熱系數(shù)越小，保溫性能越好，相應(yīng)的成本也就越高；

(3)吸水率：吸水率是衡量保溫材料穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，水對導(dǎo)熱系數(shù)的影響很大，液態(tài)水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.58 W/(m·K)，一旦保溫材料含了水，導(dǎo)熱系數(shù)急劇增大，將嚴(yán)重影響保溫效果；

(4)阻燃性：保溫材料的選取應(yīng)滿足阻燃等級的要求。

2.2 保溫材料的確定

動力電池系統(tǒng)中保溫材料按安裝位置來命名，可分為三大類：模組與箱體間的隔熱材料、電芯間的隔熱材料，以及箱體與空氣間的隔熱材料。表1 為常見的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)表。

表1 常見保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)

本文選取的保溫材料是丙烯酸樹脂涂料，導(dǎo)熱系數(shù)0.045 W/(m·K)。該材料成本比氣凝膠低。它可與膠粘劑一起通過專用設(shè)備噴涂，經(jīng)自然干燥后形成具有一定強(qiáng)度和厚度的涂層。這個(gè)涂層不僅能隔熱保溫，還可保護(hù)電池箱體，減緩石擊破壞。它能夠有效阻斷熱傳導(dǎo)，有很好的保溫效果。

2.3 保溫層熱量傳遞計(jì)算

式(1)為傳熱計(jì)算公式，目的是通過理論計(jì)算初步評估保溫材料的效果。

式中：Q為傳遞的熱量，Wh；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Δθ 為電池包內(nèi)外溫差，℃；A為下箱體外壁表面積，m2；t為時(shí)間，h；δ為保溫層厚度，mm。

假設(shè)環(huán)境溫度-20 ℃，電池包箱內(nèi)溫度35 ℃，溫差Δθ=55 ℃，t=1 h，A=1.74 m2，δ=0.01 m，λ=0.045 W/(m·K)。

代入公式(1)得：

110 顆電芯的總質(zhì)量m=110×2.72 kg=299.2 kg；

電芯比熱容C=1.088 kJ/(kg·K)；

根據(jù)Q=CmΔθ，有：

隨著電池包內(nèi)部溫度降低，電池包內(nèi)外溫差Δθ 逐漸減小，熱量損失也隨之降低，電芯溫降速率減小，直至內(nèi)外溫度達(dá)到平衡。

3 仿真模型驗(yàn)證

3.1 電池包低溫靜置實(shí)驗(yàn)

圖4所示電池包為實(shí)驗(yàn)對象，進(jìn)行低溫靜置實(shí)驗(yàn)。采用的設(shè)備是廣州威德瑪生產(chǎn)的高低溫箱，規(guī)格型號：WTH150-40W4。

圖4 電池包低溫靜置實(shí)驗(yàn)

測試方法如下：

(1)將電池包于25 ℃的環(huán)境中擱置，用上位機(jī)采集電芯的溫度信號，待采集到的電芯溫度達(dá)到(25±2)℃后，認(rèn)為達(dá)到平衡狀態(tài)。

(2)將平衡狀態(tài)電池包放置在方形塑料支撐架上，然后置于-20 ℃的環(huán)境倉中，保溫12 h。

3.2 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

仿真模型與測試電池組的溫度傳感器的布點(diǎn)位置保持一致。

仿真計(jì)算時(shí)，設(shè)定電池包初始溫度為25 ℃，環(huán)境溫度為-20 ℃。模擬環(huán)境倉底部空調(diào)吹風(fēng)，電池包上箱體外表面對流換熱系數(shù)5 W/(m2·K)，下箱體外表面對流換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)。

圖5 為電池包保溫12 h 的溫度分布云圖。從云圖上可以看出，位于電池包前端的兩個(gè)模組溫度最低，主要原因是此處兩個(gè)模組與箱內(nèi)空氣換熱面積較大，熱量散失較快。

圖5 電池包溫度分布云圖(12 h)

圖6 為仿真與實(shí)驗(yàn)最高和最低溫度監(jiān)測點(diǎn)溫降曲線對比。可以看出，最高溫度監(jiān)測點(diǎn)仿真與實(shí)驗(yàn)相差不大，全過程最大誤差為3 ℃。最低溫度監(jiān)測點(diǎn)仿真與實(shí)驗(yàn)相差較大，全過程最大誤差為6 ℃。最低溫度監(jiān)測點(diǎn)仿真與實(shí)驗(yàn)誤差較大的原因分析：由圖4 的照片可以看到，電池包放置在方形塑料支撐架上，電池包前端懸空，受環(huán)境倉空調(diào)風(fēng)的影響，電池包前端模組下方對流換熱系數(shù)較大，導(dǎo)致電池包最低溫度下降過快，造成了電池包最低溫度監(jiān)測點(diǎn)仿真與實(shí)驗(yàn)誤差較大。排除這一實(shí)驗(yàn)環(huán)境因素，仿真模型精度較高，可進(jìn)行保溫性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖6 仿真與實(shí)驗(yàn)最高和最低溫度監(jiān)測點(diǎn)溫降曲線

4 保溫方案

4.1 箱體內(nèi)部保溫設(shè)計(jì)

對電池包內(nèi)部所做的保溫主要考慮兩條路徑：(1)端板與靠近端板的電芯之間；(2)端板與下箱體之間。表2 為電池包內(nèi)部保溫方案匯總表。

表2 電池包內(nèi)部保溫方案

方案N-C 和方案N-D 均在靠近電芯的端板面上噴涂了1 mm 厚的丙烯酸樹脂，二者的區(qū)別在于，方案N-C 是用1 mm厚環(huán)氧板將端板與箱體隔開，螺栓穿過環(huán)氧板與箱體鎖附，即依次將端板、環(huán)氧板、箱體用螺栓連接在一起。方案N-D是用厚度1 mm 的環(huán)氧板將端板與箱體完全隔開，螺栓不與箱體鎖附，是一種理想情況。

4.2 箱體外部保溫設(shè)計(jì)

對電池包外部所做的保溫主要考慮電池包上蓋、箱體四周邊框，以及箱體底部。表3 為電池包外部保溫方案匯總表。

表3 電池包外部保溫方案

4.3 箱體內(nèi)外均做保溫設(shè)計(jì)

將保溫效果較好、可行性較高的內(nèi)部和外部保溫措施相結(jié)合，分析對電池包保溫性能的影響。表4 為電池包內(nèi)外保溫相結(jié)合的方案。

表4 電池包內(nèi)外保溫相結(jié)合方案

方案NW-C 是在電池包組裝之前，在靠近電芯的端板面上噴涂了1 mm 厚度丙烯酸樹脂涂層，并且在箱體底部及四周邊框均噴涂了5 mm 厚丙烯酸樹脂，另外考慮了冷板與端板不焊接的情況。

5 仿真分析

5.1 仿真工況及參數(shù)設(shè)置

設(shè)置電池包初始溫度為35 ℃，環(huán)境溫度為-20 ℃，上箱蓋外表面設(shè)置對流換熱系數(shù)5 W/(m2·K)，下箱體外表面設(shè)置對流換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)。

5.2 熱物性參數(shù)

表5 為電池包主要零部件熱物性參數(shù)表，其中電芯導(dǎo)熱系數(shù)為各向異性，厚度方向?qū)嵯禂?shù)為1.4 W/(m·K)，高度和寬度方向?qū)嵯禂?shù)均為15.6 W/(m·K)。

表5 主要零部件熱物性參數(shù)

5.3 不采取保溫措施的仿真結(jié)果

圖7 為未采取任何保溫措施的電池包仿真結(jié)果。圖7(a)為電池包保溫4 h 后的溫度分布云圖，可以看出，大模組靠近端板的4 個(gè)電芯溫度最低，主要原因是端板與水冷板焊接，然后與箱體直接通過螺栓鎖附，靠近端板的電芯熱量很快通過箱體傳遞到外界環(huán)境中。保溫工況下，考慮了重力的影響，電池包內(nèi)熱空氣向上流動，導(dǎo)致上層電芯溫度升高，進(jìn)一步加大了上下層模組的溫差。另外，上層模組端板的熱量通過二層支架，傳遞給下層模組端板，也因此改善了下層模組靠近端板的電芯溫度。圖7(b)為電池包溫降曲線，以單個(gè)電芯的體平均溫度作為保溫評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。保溫4 h 后，原始方案電池包最低溫度為-2.1 ℃，最大溫差為30.7 ℃。

圖7 未采取任何保溫措施的電池包仿真結(jié)果

5.4 箱體內(nèi)部保溫仿真結(jié)果

表6 為電池包內(nèi)部保溫方案結(jié)果匯總。圖8 為內(nèi)部保溫的電池包溫降及溫差曲線(單電芯體平均溫度)。

圖8 內(nèi)部保溫的電池包溫降及溫差曲線(單電芯體平均溫度)

表6 電池包內(nèi)部保溫方案結(jié)果匯總

端板噴涂隔熱材料：

方案N-A，當(dāng)端板噴涂1 mm 厚丙烯酸樹脂涂層時(shí)，保溫4 h 后電池包最低溫度為-0.6 ℃，較原始方案改善了1.5 ℃，最大溫差為28.38 ℃，較原始方案改善了2.32 ℃；

方案N-B，當(dāng)端板噴涂3 mm 厚丙烯酸樹脂涂層時(shí)，保溫4 h 后電池包最低溫度為-0.14 ℃，較原始方案改善了1.96 ℃，最大溫差為28.44 ℃，較原始方案改善了2.26 ℃。

端板與箱體間采取隔熱措施：

方案N-C，端板噴涂1 mm 厚丙烯酸樹脂涂層。端板與箱體用厚度1 mm 環(huán)氧板隔開，由螺栓與箱體接觸。保溫4 h 后電池包最低溫度為-0.1 ℃，較原始方案改善了0.5 ℃，最大溫差為28.49 ℃，較原始方案改善了2.21 ℃；

方案N-D，在端板噴涂厚度為1 mm 丙烯酸樹脂涂層的基礎(chǔ)上，當(dāng)端板與箱體用厚度1 mm 環(huán)氧板隔開，螺栓與箱體不接觸時(shí)，保溫4 h 后電池包最低溫度為4.78 ℃，較原始方案改善了5.38 ℃，最大溫差為23.94 ℃，較原始方案改善了6.76 ℃。

由此可見，當(dāng)螺栓與箱體接觸時(shí)，對保溫效果的影響比較大。應(yīng)考慮在螺栓與箱體間采取隔熱措施。

5.5 箱體外部保溫仿真結(jié)果

圖9、表7 為電池包外部保溫仿真結(jié)果。

表7 電池包外部保溫方案結(jié)果匯總

圖9 外部保溫的電池包溫降及溫差曲線(單電芯體平均溫度)

方案W-A，當(dāng)電池包上蓋噴涂5 mm 厚丙烯酸樹脂涂層時(shí)，保溫4 h 后電池包最低溫度為-2.02 ℃，較原始方案改善了0.08 ℃，最大溫差為30.38 ℃，較原始方案改善了0.32 ℃。最低溫度和最大溫差均無明顯的改善，主要原因是靠近端板的電芯的熱量通過端板傳遞給箱體，然后通過箱體傳遞到外界環(huán)境中，對上蓋采取保溫措施并不能有效改善端板電芯的溫度。

方案W-B，當(dāng)箱體底部噴涂5 mm 厚丙烯酸樹脂涂層時(shí)，保溫4 h 后電池包最低溫度為4.93 ℃，較原始方案改善了7.03 ℃，最大溫差為24.65 ℃，較原始方案改善了6.05 ℃。

方案W-C，箱體底部及四周邊框噴涂5 mm 厚丙烯酸樹脂涂層時(shí)，保溫4 h 后電池包最低溫度為5.56 ℃，較原始方案改善了7.66 ℃，最大溫差為23.28 ℃，較原始方案改善了7.42 ℃。

可見，外部保溫效果最好的位置是箱體底部，若箱體底部不做任何保溫措施，本文采取的各種內(nèi)部保溫方案，均難以滿足對電池包保溫的要求。

5.6 箱體內(nèi)外均做保溫的仿真結(jié)果

圖10、表8 為電池包內(nèi)外均采取保溫的仿真結(jié)果。

表8 電池包內(nèi)外保溫方案相結(jié)合的結(jié)果匯總

圖10 內(nèi)部和外部保溫的電池包溫降及溫差曲線(單電芯體平均溫度)

方案NW-A，在端板噴涂1 mm 厚丙烯酸樹脂的基礎(chǔ)上，箱體底部噴涂5 mm 厚丙烯酸樹脂，保溫4 h 后，電池包最低溫度為6.02 ℃，較原始方案改善了8.12 ℃，最大溫差為23.22 ℃，較原始方案改善了7.48 ℃。

方案NW-B，在端板噴涂1 mm 厚丙烯酸樹脂的基礎(chǔ)上，箱體底部及四周邊框噴涂5 mm 厚丙烯酸樹脂，保溫4 h 后電池包最低溫度為6.45 ℃，較原始方案改善了8.55 ℃，最大溫差為22.36 ℃，較原始方案改善了8.34℃。

方案NW-C，在端板噴涂1 mm 厚丙烯酸樹脂的基礎(chǔ)上，箱體底部及四周邊框噴涂5 mm 厚丙烯酸樹脂，且水冷板與端板不接觸，保溫4 h 后電池包最低溫度為9.28 ℃，較原始方案改善了11.38℃，最大溫差為20.32 ℃，較原始方案改善了10.38 ℃。

由此可見，水冷板與端板焊接對保溫性能有所影響。

6 結(jié)論

(1)端板噴涂隔熱材料，能改善保溫效果。端板噴涂1 mm 厚丙烯酸樹脂，電池包最低溫度提高1.5 ℃，最大溫差降低2.32 ℃，厚度切換為3 mm 后，最低溫度和最大溫差改善空間不大。

(2)端板與箱體用1 mm 厚的環(huán)氧板完全隔開，電池包最低溫度提升5.38 ℃，最大溫差降低6.76 ℃。當(dāng)端板與箱體通過螺栓鎖附時(shí)，電池包最低溫度提升0.5 ℃，最大溫差降低2.21 ℃，應(yīng)在端板與箱體間采取隔熱措施。

(3)電池包上蓋和箱體四周邊框?qū)Ρ匦阅艿挠绊戄^小，外部保溫效果最好的位置在箱體底部，箱體底部噴涂5 mm厚丙烯酸樹脂，電池包最低溫度提升7.03 ℃，最大溫差降低6.05 ℃。