高低溫環(huán)境下鋼制與鋁制電池包熱保溫性能對(duì)比研究

楊智輝,徐棟愷,肖 華

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999; 2.汽車用鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(寶鋼),上海 201999)

1 概述

近年來,電動(dòng)汽車在國內(nèi)市場(chǎng)上越來越受到歡迎,但是受限于我國南北氣候差異以及電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的溫度限制,電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車相比仍然缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。為了改善動(dòng)力電池對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力,國內(nèi)外的專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究,使得熱管理系統(tǒng)可以在不同工況下為動(dòng)力電池提供適宜的工作環(huán)境。當(dāng)然,高效的熱管理系統(tǒng)除了本身的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以外,還需要與優(yōu)異的電池包箱體保溫設(shè)計(jì)相配合。

電池包箱體的材料與結(jié)構(gòu)選擇一直是研究人員研究的熱點(diǎn)問題。董亮平等選擇采用氣凝膠材料和真空保溫技術(shù)相結(jié)合的方法,與單純的氣凝膠保溫體系相比,電池中心溫度下降速率降低了18.9%,效果十分明顯[1];王捆等通過傳熱學(xué)理論計(jì)算及CFD仿真分析,驗(yàn)證了在電池箱內(nèi)部覆蓋玻纖3D織物具有良好的保溫效果[2]。然而大多數(shù)的電池包箱體為了滿足密封與強(qiáng)度的要求,殼體一般會(huì)采用金屬材質(zhì),但是一般情況下金屬的導(dǎo)熱系數(shù)較高,很難在低(高)溫工況下達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間保溫的目的,因此對(duì)金屬材料殼體的熱保溫性能的研究和改善十分必要。針對(duì)該問題,王志祥等設(shè)計(jì)了一種電池包保溫層,在對(duì)不同的保溫材料進(jìn)行對(duì)比后采用了氣凝膠作為最終的保溫層材料。通過溫度場(chǎng)仿真和試驗(yàn)測(cè)試后發(fā)現(xiàn),在-20 ℃的低溫工況下,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,證明了此保溫方法在電池包內(nèi)具有較強(qiáng)的適用性,能夠提高蓄電池在低溫環(huán)境中的使用性能[3]。但是該方法使得電池包箱體的結(jié)構(gòu)變得相對(duì)復(fù)雜,因此,很多研究者從電池箱殼體材料入手進(jìn)行研究,選擇了不同的材料以加強(qiáng)殼體的保溫性能。吉增香等使用了中空織物復(fù)合材料作為電池箱殼體的材質(zhì),研究結(jié)果顯示,中空織物復(fù)合材料箱體與金屬箱體相比,從20 ℃降至0 ℃的時(shí)間延長(zhǎng)了2.5 h,增加了動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下的運(yùn)行保障[4];但是該模型仍存在著關(guān)鍵部位強(qiáng)度較低的缺陷,因此金屬材料作為電池箱殼體的原材料才是目前為止較為合適的選擇。

本文使用有限元分析方法對(duì)鑄鋁電池包和鋼制電池包在高低溫工況下的保溫性能進(jìn)行分析比較,鋁合金選擇常規(guī)低壓鑄鋁,牌號(hào)ZL102;鋼材選擇寶鋼超高強(qiáng)鋼,牌號(hào)HC820/1180DP;并對(duì)鋼制電池包的保溫性能進(jìn)行優(yōu)化。

2 電池包幾何模型

本文基于某款純電動(dòng)車型的兩種動(dòng)力電池包進(jìn)行保溫性能的研究,該車型的動(dòng)力電池包有鑄鋁電池包和鋼制電池包兩種,兩種電池包上蓋均采用同等厚度的SMC材料,如圖1所示;下箱體分為鑄鋁下箱體和鋼制下箱體,如圖2所示;具有相同的模組數(shù)量和布置,電池包設(shè)置電池模組共32個(gè),分上下兩層,下層18個(gè),上層14個(gè),單個(gè)模組尺寸規(guī)格為355 mm×151.6 mm×108.5 mm (長(zhǎng)×寬×高),如圖3所示。

圖1 電池包上蓋Fig.1 Battery packupper cover

圖2 電池包下箱體Fig.2 Lower boxes of the battery packs

圖3 電池模組Fig.3 Battery modules

3 電池包有限元仿真模型的建立

3.1 電池包箱體建模

鑄鋁電池包箱體包括上蓋、鑄鋁下箱體和模組支架等,鋼制電池包箱體包括上蓋、邊框、吊耳、底護(hù)板、橫縱梁和模組支架等。Hypermesh具有極其強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分前處理功能,應(yīng)用其前處理模塊對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化處理并劃分網(wǎng)格。選擇合適的網(wǎng)格類型和網(wǎng)格尺寸對(duì)于建模的效率、分析的精度、求解的速度等有很大的影響。電池包下殼體采用四邊形單元為主、三角形單元為輔劃分鈑金件,單元尺寸控制在5 mm×5 mm左右,鑄鋁電池包和鋼制電池包箱體有限元模型如圖4所示。

圖4 電池包箱體熱分析有限元模型Fig.4 Finite element model of the thermal analysis of the battery case boxes

3.2 電池模組建模

電池模組包括電芯、隔熱墊、模組端板、模組側(cè)板和模組上蓋等,隔熱墊、模組側(cè)板蓋和模組上蓋等采用5 mm×5 mm的四邊形單元,模組端板采用5 mm大小的四面體實(shí)體單元,電芯采用15 mm大小的六面體實(shí)體單元,用于熱分析電池模組有限元模型如圖5所示。

圖5 電池模組熱分析有限元模型Fig.5 Finite element model of the thermal analysis of the battery modules

3.3 其他附件建模

其他附件包括熱管理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和插接口,熱管理系統(tǒng)主要包含加熱膜,采用5 mm×5 mm的四邊形單元建模。電氣系統(tǒng)包括銅牌、電纜、BDU、BMS等,考慮傳熱影響和兼顧求解效率,電器系統(tǒng)只保留銅牌和模組之間的連接件,采用5 mm×5 mm的四邊形單元建模,其他附件有限元模型如圖6所示。

圖6 電池包其他附件熱分析有限元模型Fig.6 Finite element model of the thermal analysis of other accessories of the battery pack

3.4 電池包零部件熱物性參數(shù)設(shè)定

鑄鋁電池包、鋼制電池包熱分析有限元模型網(wǎng)格劃分完成后導(dǎo)入Taitherm軟件進(jìn)行邊界條件的設(shè)定,主要有零部件的物理屬性,初始條件、環(huán)境工況和熱連接的設(shè)定,主要零部件有限元模型熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 電池包零部件熱物性參數(shù)Table 1 Thermal physical parameters of battery pack components

3.5 電池包熱保溫分析仿真工況

基于Taitherm軟件開展電池包熱保溫工況建模和仿真,根據(jù)該款純電動(dòng)車的性能以及我國的天氣特點(diǎn),將高溫工況設(shè)定環(huán)境溫度為40 ℃,電池包初始溫度為20 ℃;將低溫工況設(shè)定環(huán)境溫度為-15 ℃,電池包初始溫度同樣為20 ℃。保溫性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為8 h內(nèi)電芯的平均溫度變化率小于3 K/h,電芯的高低溫差值小于5 K。

4 仿真結(jié)果分析

鑄鋁電池包與鋼制電池包熱仿真模型搭建完成后,采用Taitherm軟件進(jìn)行求解計(jì)算,并使用Taitherm軟件的后處理模塊對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行查看分析。按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,8 h內(nèi)電芯的平均溫度變化率應(yīng)小于3 K/h,電芯的高低溫最大差值率應(yīng)小于5 K/h。

4.1 鑄鋁電池包保溫性能仿真結(jié)果

4.1.1 高溫工況仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示8 h后鑄鋁電池包電芯的平均溫度從20 ℃上升到了32.45 ℃,由此計(jì)算電芯的平均溫度變化率為1.56 K/h,如圖7所示。8 h內(nèi)電芯的高低溫差值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),最大值為2.32 K,如圖8所示。電芯的平均溫度變化率及高低溫最大差值率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 高溫工況下鑄鋁電池包的電芯溫度變化Fig.7 Change in the cell temperature of the cast aluminum battery pack at high temperatures

圖8 高溫工況鑄鋁電池包的電芯高低溫差曲線Fig.8 Cell temperature difference curve of the cast aluminum battery pack at high temperatures

通過使用軟件的后處理功能對(duì)鑄鋁電池包電芯的傳熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由熱傳導(dǎo)方式進(jìn)入電芯的熱量為3 242.94 kJ,主要發(fā)生在電池模組端板和電芯底部;由對(duì)流換熱方式進(jìn)入電芯的熱量為637.20 kJ,主要發(fā)生在電芯上部和電芯的側(cè)板;由輻射換熱方式進(jìn)入電芯的熱量為604.56 kJ,主要發(fā)生在電芯上部和電芯側(cè)板,如圖9所示。

圖9 高溫工況下鑄鋁電池包不同傳熱方式的傳熱量Fig.9 Heat transfer of the cast aluminum battery pack by different heat transfer modes at high temperatures

4.1.2 低溫工況仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示8 h后鑄鋁電池包電芯的平均溫度從20 ℃下降到了-0.27 ℃,由此計(jì)算電芯的平均溫度變化率為2.53 K/h,如圖10所示。8 h內(nèi)電芯的高低溫差值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),最大值為3.58 K,如圖11所示。電芯的平均溫度變化率及高低溫最大差值率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 低溫工況下鑄鋁電池包的電芯溫度變化Fig.10 Cell temperature change of the cast aluminum battery pack at low temperatures

圖11 低溫工況下鑄鋁電池包的電芯高低溫差曲線Fig.11 Cell temperature difference curve of the cast aluminum battery pack at low temperatures

進(jìn)一步對(duì)鑄鋁電池包電芯的傳熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由熱傳導(dǎo)方式傳出電芯的熱量為5 342.49 kJ,主要發(fā)生在電池模組端板和電芯底部;由對(duì)流換熱方式傳出電芯的熱量為1 109.16 kJ,主要發(fā)生在電芯上部和電芯側(cè)板;由輻射換熱方式傳出電芯的熱量為856.26 kJ,主要發(fā)生在電芯上部和電芯側(cè)板,如圖12所示。

圖12 低溫工況下鑄鋁電池包不同傳熱方式的傳熱量Fig.12 Heat transfer of the cast aluminum battery pack by different heat transfer modes at low temperatures

4.2 鋼制電池包保溫性能仿真結(jié)果

4.2.1 高溫工況仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示8 h后鋼制電池包電芯的平均溫度從20 ℃上升到了32.13 ℃,由此計(jì)算電芯的平均溫度變化率為1.52 K/h,如圖13所示。8 h內(nèi)電芯的高低溫差值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),最大值為2.45 K,如圖14所示。電芯的平均溫度變化率及高低溫最大差值率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖13 高溫工況下鋼制電池包的電芯溫度變化Fig.13 Change in the cell temperature of the steel battery pack at high temperatures

圖14 高溫工況下鋼制電池包的電芯高低溫差曲線Fig.14 Cell temperature difference curve of the steel battery pack at high temperatures

通過使用軟件的后處理功能對(duì)鋼制電池包電芯的傳熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由熱傳導(dǎo)方式進(jìn)入電芯的熱量為3 169.56 kJ,主要發(fā)生在電池模組端板和電芯底部;由對(duì)流換熱方式進(jìn)入電芯的熱量為634.86 kJ,主要發(fā)生在電芯上部和電芯側(cè)板;由輻射換熱方式進(jìn)入電芯的熱量為601.74 kJ,主要發(fā)生在電芯上部和電芯側(cè)板,如圖15所示。

圖15 高溫工況下鋼制電池包不同傳熱方式的傳熱量統(tǒng)計(jì)Fig.15 Heat transfer of the steel battery pack by different heat transfer modes at high temperatures

4.2.2 低溫工況仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示8 h后鋼制電池包電芯的平均溫度從20 ℃下降到了0.32 ℃,由此計(jì)算電芯的平均溫度變化率為2.46 K/h,如圖16所示。8 h內(nèi)電芯的高低溫差值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),最大值為4.01 K,如圖17所示。電芯的平均溫度變化率及高低溫最大差值率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖16 低溫工況下鋼制電池包的電芯溫度變化Fig.16 Change in thecell temperature of the steel battery pack at low temperatures

圖17 低溫工況下鋼制電池包的電芯高低溫差曲線Fig.17 Cell temperature difference curve of the steel battery pack at low temperatures

通過使用軟件的后處理功能對(duì)鋼制電池包電芯的傳熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由熱傳導(dǎo)方式傳出電芯的熱量為5 262.84 kJ,主要發(fā)生在電池模組端板和電芯底部;由對(duì)流換熱方式傳出電芯的熱量為1 103.7 kJ,主要發(fā)生在電芯上部和電芯側(cè)板;由輻射換熱方式傳出電芯的熱量為854.7 kJ,主要發(fā)生在電芯上部和電芯側(cè)板,如圖18所示。

圖18 低溫工況下鋼制電池包不同傳熱方式的傳熱量統(tǒng)計(jì)Fig.18 Heat transfer of the steel battery pack by different heat transfer modes at low temperatures

4.3 鑄鋁電池包與鋼制電池包保溫性能對(duì)比

4.3.1 電芯平均溫度變化率對(duì)比

高溫工況下,鑄鋁電池包電芯的平均溫度變化率為1.56 K/h,鋼制電池包電芯的平均溫度變化率為1.52 K/h,如圖19所示;低溫工況下,鑄鋁電池包電芯的平均溫度變化率為2.53 K/h,鋼制電池包電芯的平均溫度變化率為2.46 K/h,如圖20所示。

圖19 高溫工況下鑄鋁電池包與鋼制電池包電芯平均溫度變化曲線Fig.19 Average cell temperature curves of the cast aluminum battery pack and steel battery pack at high temperatures

圖20 低溫工況下鑄鋁電池包與鋼制電池包電芯平均溫度變化曲線Fig.20 Average cell temperature curves of the cast aluminum battery pack and steel battery pack at low temperatures

4.3.2 電芯高低溫差值對(duì)比

高溫工況下,鑄鋁電池包電芯的高低溫差值最大值為2.32 K,鋼制電池包電芯的高低溫差值為2.45 K,如圖21所示;低溫工況下,鑄鋁電池包電芯的高低溫差值為3.58 K,鋼制電池包電芯的平均溫度變化率為4.0 K/h,如圖22所示。

圖21 高溫工況下鑄鋁電池包與鋼制電池包電芯溫差變化曲線Fig.21 Cell temperature difference curves of the cast aluminum battery pack and steel battery pack at high temperatures

圖22 低溫工況下鑄鋁電池包與鋼制電池包電芯溫差變化曲線Fig.22 Cell temperature difference curves of the cast aluminum battery pack and steel battery pack at low temperatures

5 鋼制電池包保溫性能分析

由上一節(jié)的仿真結(jié)果顯示,高溫工況下,鋼制電池包電芯的平均溫度變化率低于鑄鋁電池包電芯的平均溫度變化率,但鋼制電池包電芯的高低溫最大差值大于鑄鋁電池包電芯的高低溫最大差值。針對(duì)上述分析,為使鋼制電池包的保溫性能優(yōu)于鑄鋁電池包需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,使其電芯的高低溫最大差值降低。

通過對(duì)鋼制電池包仿真結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn),鋼制電池包電芯最高溫度出現(xiàn)在第一層前端的第二個(gè)模組處,并且整個(gè)仿真過程中最高溫度始終出現(xiàn)在該處,如圖23所示。進(jìn)一步分析出現(xiàn)該情況的原因是由于鋼制電池包底部橫縱梁的布置。為保證電池包的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,在電池包前端設(shè)置了前端橫梁,該橫梁位于第一層前端的第二個(gè)模組的下部,顯著增加了模組與外界環(huán)境傳熱路徑長(zhǎng)度,導(dǎo)致該模組溫度較高,從而影響了鋼制電池包電芯的全局溫差,如圖24所示。

圖23 高溫模組位置示意圖Fig.23 Position diagram of the high-temperature module

圖24 高溫模組安裝位置示意圖Fig.24 Installation position of the high-temperature module

經(jīng)過上述分析,需要阻斷高溫模組與外界環(huán)境之間的傳熱路徑,為此提出了四個(gè)優(yōu)化方案,方案內(nèi)容如表2所示,方案示意圖如圖25所示。

表2 鋼制電池包保溫性能優(yōu)化方案Table 2 Optimization scheme of thermal insulation performance of steel battery pack

圖25 優(yōu)化方案實(shí)施方法Fig.25 Schematic diagrams of the optimization solutions

經(jīng)過計(jì)算后對(duì)每種方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并與原有的鑄鋁電池包和鋼制電池包進(jìn)行比較,詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 優(yōu)化方案結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Optimization scheme result statistics

通過對(duì)優(yōu)化方案仿真結(jié)果分析,原有鋼制電池包與四個(gè)優(yōu)化方案電池包的電芯平均溫升速率比較接近,并且均低于鑄鋁電池包;方案二與方案四電芯的高低溫最大差值低于原有鋼制電池包與鑄鋁電池包,方案一與原始方案電芯的高低溫最大差值近似相同,方案三電芯的高低溫最大差值高于原有鋼制電池包。綜合評(píng)價(jià),方案四能獲得最低的溫度變化率和最小的電芯溫差值,是最佳的優(yōu)化方案。

6 結(jié)論

(1) 建立了電池包熱分析有限元模型,仿真結(jié)果表明,電芯與電池包外界環(huán)境主要通過熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行熱量的傳遞。

(2) 高低溫工況下,鑄鋁和鋼制兩種電池包的電芯平均溫度變化率均滿足8 h內(nèi)低于3 K/h的要求,電芯的高低溫最大差值率均滿足小于5 K/h的要求。

(3) 鋼制電池包的電芯平均溫度變化率小于鑄鋁電池包,保溫性能更優(yōu);但電芯高低溫最大差值率大于鑄鋁電池包,均溫性能更劣。

(4) 針對(duì)鋼制電池包均溫性能較劣的問題,提出了提升均溫性的四種優(yōu)化方案,并根據(jù)仿真結(jié)果確定了方案四為最優(yōu)方案,為鋼制電池包保溫設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了指導(dǎo)。