電動汽車電池包箱體保溫性能研究與優化

清風徐來asd

2023年9月21日 11:11

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0 前言

動力電池工作性能受溫度影響較大，其合適的工作溫度為20℃～40℃，溫度過高或過低都會影響其性能甚至產生損壞。為使動力電池組能夠工作在合適的溫度范圍內，動力電池包通常會設置熱管理系統。電池包熱管理系統包括冷卻、加熱和保溫三大功能。

本文采用熱流耦合的仿真方法對電池包的保溫設計進行研究，主要內容為鋼制與鋁制電池包箱體的保溫性能進行對比研究與不同方案的優化設計。

1 影響電池包箱體保溫性能因素分析

對于電池包箱體的保溫性能的評價，可以將許多復雜的因素歸結為總的傳熱系數來表示，即:

總的傳熱系數可以理解為綜合傳熱系數。電池包箱體的總的傳熱系數與箱體材料的導熱性能、電池包內氣體狀態、箱體外壁處的空氣流動狀態和電池包的密封情況有關。因此電池包箱體的總傳熱系數可以用與上述因素有關的物理參數來表示，即:

通過對上文公式進行分析，可以得出影響電池包箱體保溫性能的主要因素為保溫材料的冷橋的存在。假設在理想狀態下，即保溫材料完全的鋪滿電池包上蓋和下箱體的內壁，很薄的保溫材料就能達到比較理想的保溫效果，但由于電池包的特殊結構會有冷橋的存在，如圖1，使得電池包箱體的保溫性能大幅下降。

2 電池包箱體熱分析有限元模型構建

2.1 電池包箱體三維模型建立

本文基于某款純電動車型的動力電池包箱體進行保溫性能的研究，該車型的動力電池包冷卻方式為液冷，上蓋為SMC材料，下箱體分為鋼制與鋁制兩種。通過使用Catia軟件對鋼制與鋁制電池包箱體進行建模，電池包箱體的三維模型如圖2所示。

2.2 電池包箱體熱分析有限元模型的構建

本文通過使用Hypermesh軟件對鋼制與鋁制電池包箱體熱分析的有限元模型進行前處理工作。通過使用Taitherm軟件對網格模型進行邊界條件的設置和進行熱求解。

2.2.1 網格劃分

針對Taitherm軟件對網格的要求在Hypermesh中設定網格標準，通過Hypermesh進行網格劃分后的網格模型如圖3、圖4所示。

2.2.2 熱求解設置

通過模型瀏覽器中的EditorTab對每個部分的零件類型、材料、厚度、表面發射率、初始溫度和對流傳熱的相關參數進行設置，如圖5所示。相關參數設置好后，檢查模型并提交計算。

3 箱體保溫性能對比研究與優化設計

3.1 電池包保溫性能仿真分析的邊界條件與參數變量

根據某企業標準，需要對動力電池包進行夏季保溫工況和冬季保溫工況進行仿真分析，工況參數見表1。保溫性能標準為：4小時內電芯的平均溫度變化率<2℃/h。

根據是否增加箱體隔熱保溫材料，提出兩種方案見表2。并根據不同的方案的仿真分析結果進行優化設計。

綜合考慮生產成本與保溫性能，方案二初步選擇海綿橡膠作為電池包的保溫材料，厚度為5mm。

3.2 電池包箱體保溫性能仿真計算結果

對鋼制與鋁制電池包箱體模型進行穩態計算，如圖6所示，可以得出結論為：電池包下箱體為主要的傳熱部件，通過增加海綿橡膠后隔熱保溫性能會有提升。

對鋼制與鋁制電池包箱體模型進行瞬態計算，得出其不同工況下不同方案的溫度變化，如圖所示。

3.3 鋼制與鋁制電池包隔熱保溫性能差異性研究

3.3.1 保溫性能對比

對電池包的瞬態仿真結果進行整理可以得出：鋼制與鋁制電池包夏季工況隔熱性能對比（表3）、鋼制與鋁制電池包冬季工況保溫性能對比（表4）。

對上述數據進行比較分析可以得出：

（1）電池包在夏季工況下的隔熱保溫想能優于冬季工況。

（2）鋁制電池包的隔熱保溫性能優于鋼制電池包。

（3）電池包在增加保溫材料后隔熱保溫性能會有提升。

（4）鋼制電池包在夏季和冬季工況下兩種方案均不滿足設計要求。

3.3.2 隔熱保溫性能差異性研究

根據穩態仿真結果分析，電池包的下箱體為主要的散熱部件，所以主要對電池包下箱體進行研究。主要考慮到鋼制與鋁制電池包下箱體材料不同和結構不同。

首先考慮下箱體材料的不同，鋼材的導熱系數為36?54W/(m·k)，鋁合金的導熱系數為160W/(m·k)，鋁合金比鋼材的導熱性能強，與仿真結果相反，因此材料導熱性能不是影響本文電池包隔熱保溫性能的主要原因。

其次考慮下箱體結構的不同，剛制與鋁制電池包下箱體截面圖如下圖所示。鋼制電池包下箱體底板為單層高強鋼板，其厚度為0.8mm，鋁制電池包下箱體底板為多層中空結構，其厚度為15mm。中空結構內存在空氣，空氣的導熱系數約為0.0267W/(m·k)遠小于鋼材和鋁合金的導熱系數，所以即使鋁合金的導熱性能比鋼材的高，但是由于中空結構中的空氣使得鋁合金下箱體整體的導熱性能比鋼制電池包的導熱性能低。因此電池包下箱體結構是影響本文電池包隔熱保溫性能的主要原因。

3.4 箱體隔熱保溫方案優化

3.4.1 鋼制電池包方案優化

根據仿真的結果，目前鋼制電池包的保溫性能無法滿足冬季工況設計要求，需要對其進行優化。
方法一：通過增加海綿橡膠的厚度來提升電池包下箱體的保溫性能。保持上蓋保溫材料厚度不變，將下箱體保溫材料的厚度由原來的5mm增加到15mm并使用Taitherm軟件進行仿真分析，根據結果計算出4小時內電芯的平均溫度變化率為2.58℃/h，仍然無法滿足設計要求。由于電池包內空間限制無法繼續增加保溫材料的厚度。

方法二：選用保溫性能更高的材料。綜合考慮保溫性能與生產成本選取泡沫石棉為下箱體的保溫保溫材料，材料厚度的選擇通過使用Taitherm算進對模型多步迭代計算，最后得出當泡沫石棉厚度為15mm時，4小時內電芯的平均溫度變化率為1.92℃/h，電池包保溫性能滿足設計要求。

3.4.2 鋁制電池包方案優化

根據仿真的結果，鋁制電池包的隔熱保溫性能較好，即使在不增加保溫材料的情況下仍然滿足設計要求，但考慮到電池箱體還需要具備一定的防止熱傳播功能和盡量降低成本，只在鋁制電池包上蓋內部粘貼5mm厚的泡沫橡膠。通過Taitherm軟件對該優化方案進行仿真驗證，其結果滿足設計要求。

4 結論

本文以純電動汽車的動力電池包箱體為研究對象，通過三維建模和有限元仿真的方法對鋼制與鋁制電池包箱體的保溫性能進行了對比研究，得出了鋁制電池包箱體由于其下箱體采用中空結構，所以其隔熱保溫性能優于鋼制電池包箱體。并對根據仿真結果對兩種電池包箱體的保溫設計方案進行了優化，鋼制電池包采用上蓋粘貼5mm厚的海綿橡膠、下箱體粘貼15mm厚的泡沫石棉的方案；鋁制電池包采用只在上蓋粘貼5mm厚的海綿橡膠的方案。

END

文章來源：PBR瑞薩科林

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