高低温环境下钢制与铝制电池包热保温性能对比研究

时间：2024-07-28

杨智辉,徐栋恺,肖华

(1.宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999; 2.汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室(宝钢),上海 201999)

1 概述

近年来,电动汽车在国内市场上越来越受到欢迎,但是受限于我国南北气候差异以及电动汽车动力电池的温度限制,电动汽车与传统汽车相比仍然缺乏竞争力。为了改善动力电池对环境的适应能力,国内外的专家学者进行了相关研究,使得热管理系统可以在不同工况下为动力电池提供适宜的工作环境。当然,高效的热管理系统除了本身的系统设计以外,还需要与优异的电池包箱体保温设计相配合。

电池包箱体的材料与结构选择一直是研究人员研究的热点问题。董亮平等选择采用气凝胶材料和真空保温技术相结合的方法,与单纯的气凝胶保温体系相比,电池中心温度下降速率降低了18.9%,效果十分明显[1];王捆等通过传热学理论计算及CFD仿真分析,验证了在电池箱内部覆盖玻纤3D织物具有良好的保温效果[2]。然而大多数的电池包箱体为了满足密封与强度的要求,壳体一般会采用金属材质,但是一般情况下金属的导热系数较高,很难在低(高)温工况下达到长时间保温的目的,因此对金属材料壳体的热保温性能的研究和改善十分必要。针对该问题,王志祥等设计了一种电池包保温层,在对不同的保温材料进行对比后采用了气凝胶作为最终的保温层材料。通过温度场仿真和试验测试后发现,在-20 ℃的低温工况下,布置保温层后的电池包降温速率和截止最大温差相对减小,证明了此保温方法在电池包内具有较强的适用性,能够提高蓄电池在低温环境中的使用性能[3]。但是该方法使得电池包箱体的结构变得相对复杂,因此,很多研究者从电池箱壳体材料入手进行研究,选择了不同的材料以加强壳体的保温性能。吉增香等使用了中空织物复合材料作为电池箱壳体的材质,研究结果显示,中空织物复合材料箱体与金属箱体相比,从20 ℃降至0 ℃的时间延长了2.5 h,增加了动力电池在低温环境下的运行保障[4];但是该模型仍存在着关键部位强度较低的缺陷,因此金属材料作为电池箱壳体的原材料才是目前为止较为合适的选择。

本文使用有限元分析方法对铸铝电池包和钢制电池包在高低温工况下的保温性能进行分析比较,铝合金选择常规低压铸铝,牌号ZL102;钢材选择宝钢超高强钢,牌号HC820/1180DP;并对钢制电池包的保温性能进行优化。

2 电池包几何模型

本文基于某款纯电动车型的两种动力电池包进行保温性能的研究,该车型的动力电池包有铸铝电池包和钢制电池包两种,两种电池包上盖均采用同等厚度的SMC材料,如图1所示;下箱体分为铸铝下箱体和钢制下箱体,如图2所示;具有相同的模组数量和布置,电池包设置电池模组共32个,分上下两层,下层18个,上层14个,单个模组尺寸规格为355 mm×151.6 mm×108.5 mm (长×宽×高),如图3所示。

图1 电池包上盖Fig.1 Battery packupper cover

图2 电池包下箱体Fig.2 Lower boxes of the battery packs

图3 电池模组Fig.3 Battery modules

3 电池包有限元仿真模型的建立

3.1 电池包箱体建模

铸铝电池包箱体包括上盖、铸铝下箱体和模组支架等,钢制电池包箱体包括上盖、边框、吊耳、底护板、横纵梁和模组支架等。Hypermesh具有极其强大的网格划分前处理功能,应用其前处理模块对模型进行合理简化处理并划分网格。选择合适的网格类型和网格尺寸对于建模的效率、分析的精度、求解的速度等有很大的影响。电池包下壳体采用四边形单元为主、三角形单元为辅划分钣金件,单元尺寸控制在5 mm×5 mm左右,铸铝电池包和钢制电池包箱体有限元模型如图4所示。

图4 电池包箱体热分析有限元模型Fig.4 Finite element model of the thermal analysis of the battery case boxes

3.2 电池模组建模

电池模组包括电芯、隔热垫、模组端板、模组侧板和模组上盖等,隔热垫、模组侧板盖和模组上盖等采用5 mm×5 mm的四边形单元,模组端板采用5 mm大小的四面体实体单元,电芯采用15 mm大小的六面体实体单元,用于热分析电池模组有限元模型如图5所示。

图5 电池模组热分析有限元模型Fig.5 Finite element model of the thermal analysis of the battery modules

3.3 其他附件建模

其他附件包括热管理系统、电气系统和插接口,热管理系统主要包含加热膜,采用5 mm×5 mm的四边形单元建模。电气系统包括铜牌、电缆、BDU、BMS等,考虑传热影响和兼顾求解效率,电器系统只保留铜牌和模组之间的连接件,采用5 mm×5 mm的四边形单元建模,其他附件有限元模型如图6所示。

图6 电池包其他附件热分析有限元模型Fig.6 Finite element model of the thermal analysis of other accessories of the battery pack

3.4 电池包零部件热物性参数设定

铸铝电池包、钢制电池包热分析有限元模型网格划分完成后导入Taitherm软件进行边界条件的设定,主要有零部件的物理属性,初始条件、环境工况和热连接的设定,主要零部件有限元模型热物性参数如表1所示。

表1 电池包零部件热物性参数Table 1 Thermal physical parameters of battery pack components

3.5 电池包热保温分析仿真工况

基于Taitherm软件开展电池包热保温工况建模和仿真,根据该款纯电动车的性能以及我国的天气特点,将高温工况设定环境温度为40 ℃,电池包初始温度为20 ℃;将低温工况设定环境温度为-15 ℃,电池包初始温度同样为20 ℃。保温性能评价标准为8 h内电芯的平均温度变化率小于3 K/h,电芯的高低温差值小于5 K。

4 仿真结果分析

铸铝电池包与钢制电池包热仿真模型搭建完成后,采用Taitherm软件进行求解计算,并使用Taitherm软件的后处理模块对计算结果进行查看分析。按照企业标准要求,8 h内电芯的平均温度变化率应小于3 K/h,电芯的高低温最大差值率应小于5 K/h。

4.1 铸铝电池包保温性能仿真结果

4.1.1 高温工况仿真结果

仿真结果显示8 h后铸铝电池包电芯的平均温度从20 ℃上升到了32.45 ℃,由此计算电芯的平均温度变化率为1.56 K/h,如图7所示。8 h内电芯的高低温差值呈现先上升后下降的趋势,最大值为2.32 K,如图8所示。电芯的平均温度变化率及高低温最大差值率均满足标准要求。

图7 高温工况下铸铝电池包的电芯温度变化Fig.7 Change in the cell temperature of the cast aluminum battery pack at high temperatures

图8 高温工况铸铝电池包的电芯高低温差曲线Fig.8 Cell temperature difference curve of the cast aluminum battery pack at high temperatures

通过使用软件的后处理功能对铸铝电池包电芯的传热量进行统计,由热传导方式进入电芯的热量为3 242.94 kJ,主要发生在电池模组端板和电芯底部;由对流换热方式进入电芯的热量为637.20 kJ,主要发生在电芯上部和电芯的侧板;由辐射换热方式进入电芯的热量为604.56 kJ,主要发生在电芯上部和电芯侧板,如图9所示。

图9 高温工况下铸铝电池包不同传热方式的传热量Fig.9 Heat transfer of the cast aluminum battery pack by different heat transfer modes at high temperatures

4.1.2 低温工况仿真结果

仿真结果显示8 h后铸铝电池包电芯的平均温度从20 ℃下降到了-0.27 ℃,由此计算电芯的平均温度变化率为2.53 K/h,如图10所示。8 h内电芯的高低温差值呈现先上升后下降的趋势,最大值为3.58 K,如图11所示。电芯的平均温度变化率及高低温最大差值率均满足标准要求。

图10 低温工况下铸铝电池包的电芯温度变化Fig.10 Cell temperature change of the cast aluminum battery pack at low temperatures

图11 低温工况下铸铝电池包的电芯高低温差曲线Fig.11 Cell temperature difference curve of the cast aluminum battery pack at low temperatures

进一步对铸铝电池包电芯的传热量进行统计,由热传导方式传出电芯的热量为5 342.49 kJ,主要发生在电池模组端板和电芯底部;由对流换热方式传出电芯的热量为1 109.16 kJ,主要发生在电芯上部和电芯侧板;由辐射换热方式传出电芯的热量为856.26 kJ,主要发生在电芯上部和电芯侧板,如图12所示。

图12 低温工况下铸铝电池包不同传热方式的传热量Fig.12 Heat transfer of the cast aluminum battery pack by different heat transfer modes at low temperatures

4.2 钢制电池包保温性能仿真结果

4.2.1 高温工况仿真结果

仿真结果显示8 h后钢制电池包电芯的平均温度从20 ℃上升到了32.13 ℃,由此计算电芯的平均温度变化率为1.52 K/h,如图13所示。8 h内电芯的高低温差值呈现先上升后下降的趋势,最大值为2.45 K,如图14所示。电芯的平均温度变化率及高低温最大差值率均满足标准要求。

图13 高温工况下钢制电池包的电芯温度变化Fig.13 Change in the cell temperature of the steel battery pack at high temperatures

图14 高温工况下钢制电池包的电芯高低温差曲线Fig.14 Cell temperature difference curve of the steel battery pack at high temperatures

通过使用软件的后处理功能对钢制电池包电芯的传热量进行统计,由热传导方式进入电芯的热量为3 169.56 kJ,主要发生在电池模组端板和电芯底部;由对流换热方式进入电芯的热量为634.86 kJ,主要发生在电芯上部和电芯侧板;由辐射换热方式进入电芯的热量为601.74 kJ,主要发生在电芯上部和电芯侧板,如图15所示。

图15 高温工况下钢制电池包不同传热方式的传热量统计Fig.15 Heat transfer of the steel battery pack by different heat transfer modes at high temperatures

4.2.2 低温工况仿真结果

仿真结果显示8 h后钢制电池包电芯的平均温度从20 ℃下降到了0.32 ℃,由此计算电芯的平均温度变化率为2.46 K/h,如图16所示。8 h内电芯的高低温差值呈现先上升后下降的趋势,最大值为4.01 K,如图17所示。电芯的平均温度变化率及高低温最大差值率均满足标准要求。

图16 低温工况下钢制电池包的电芯温度变化Fig.16 Change in thecell temperature of the steel battery pack at low temperatures

图17 低温工况下钢制电池包的电芯高低温差曲线Fig.17 Cell temperature difference curve of the steel battery pack at low temperatures

通过使用软件的后处理功能对钢制电池包电芯的传热量进行统计,由热传导方式传出电芯的热量为5 262.84 kJ,主要发生在电池模组端板和电芯底部;由对流换热方式传出电芯的热量为1 103.7 kJ,主要发生在电芯上部和电芯侧板;由辐射换热方式传出电芯的热量为854.7 kJ,主要发生在电芯上部和电芯侧板,如图18所示。

图18 低温工况下钢制电池包不同传热方式的传热量统计Fig.18 Heat transfer of the steel battery pack by different heat transfer modes at low temperatures

4.3 铸铝电池包与钢制电池包保温性能对比

4.3.1 电芯平均温度变化率对比

高温工况下,铸铝电池包电芯的平均温度变化率为1.56 K/h,钢制电池包电芯的平均温度变化率为1.52 K/h,如图19所示;低温工况下,铸铝电池包电芯的平均温度变化率为2.53 K/h,钢制电池包电芯的平均温度变化率为2.46 K/h,如图20所示。

图19 高温工况下铸铝电池包与钢制电池包电芯平均温度变化曲线Fig.19 Average cell temperature curves of the cast aluminum battery pack and steel battery pack at high temperatures

图20 低温工况下铸铝电池包与钢制电池包电芯平均温度变化曲线Fig.20 Average cell temperature curves of the cast aluminum battery pack and steel battery pack at low temperatures

4.3.2 电芯高低温差值对比

高温工况下,铸铝电池包电芯的高低温差值最大值为2.32 K,钢制电池包电芯的高低温差值为2.45 K,如图21所示;低温工况下,铸铝电池包电芯的高低温差值为3.58 K,钢制电池包电芯的平均温度变化率为4.0 K/h,如图22所示。

图21 高温工况下铸铝电池包与钢制电池包电芯温差变化曲线Fig.21 Cell temperature difference curves of the cast aluminum battery pack and steel battery pack at high temperatures

图22 低温工况下铸铝电池包与钢制电池包电芯温差变化曲线Fig.22 Cell temperature difference curves of the cast aluminum battery pack and steel battery pack at low temperatures

5 钢制电池包保温性能分析

由上一节的仿真结果显示,高温工况下,钢制电池包电芯的平均温度变化率低于铸铝电池包电芯的平均温度变化率,但钢制电池包电芯的高低温最大差值大于铸铝电池包电芯的高低温最大差值。针对上述分析,为使钢制电池包的保温性能优于铸铝电池包需要对其进行优化,使其电芯的高低温最大差值降低。

通过对钢制电池包仿真结果的分析发现,钢制电池包电芯最高温度出现在第一层前端的第二个模组处,并且整个仿真过程中最高温度始终出现在该处,如图23所示。进一步分析出现该情况的原因是由于钢制电池包底部横纵梁的布置。为保证电池包的结构强度,在电池包前端设置了前端横梁,该横梁位于第一层前端的第二个模组的下部,显著增加了模组与外界环境传热路径长度,导致该模组温度较高,从而影响了钢制电池包电芯的全局温差,如图24所示。

图23 高温模组位置示意图Fig.23 Position diagram of the high-temperature module

图24 高温模组安装位置示意图Fig.24 Installation position of the high-temperature module

经过上述分析,需要阻断高温模组与外界环境之间的传热路径,为此提出了四个优化方案,方案内容如表2所示,方案示意图如图25所示。

表2 钢制电池包保温性能优化方案Table 2 Optimization scheme of thermal insulation performance of steel battery pack

图25 优化方案实施方法Fig.25 Schematic diagrams of the optimization solutions

经过计算后对每种方案的计算结果进行统计并与原有的铸铝电池包和钢制电池包进行比较,详细数据如表3所示。

表3 优化方案结果统计Table 3 Optimization scheme result statistics

通过对优化方案仿真结果分析,原有钢制电池包与四个优化方案电池包的电芯平均温升速率比较接近,并且均低于铸铝电池包;方案二与方案四电芯的高低温最大差值低于原有钢制电池包与铸铝电池包,方案一与原始方案电芯的高低温最大差值近似相同,方案三电芯的高低温最大差值高于原有钢制电池包。综合评价,方案四能获得最低的温度变化率和最小的电芯温差值,是最佳的优化方案。