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        鋰離子動(dòng)力電池包保溫性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2021-11-09 09:12:48閻明瀚劉華俊徐宇虹江吉兵
        電源技術(shù) 2021年10期

        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(dòng)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(dòng)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(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車核心部件之一,其性能直接影響電動(dòng)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(dòng)汽車的首選動(dòng)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(dòng)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(chǔ)的電能,當(dāng)耗掉一部分電能后,會(huì)縮短電動(dòng)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(shì)。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(chǔ)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(dòng)汽車動(dòng)力電池的性能和使用壽命[10-12]。

        針對(duì)某款動(dòng)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(duì)象及方法

        1.1 研究對(duì)象

        圖1 為某預(yù)研動(dòng)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(duì)于保溫材料來說,導(dǎo)熱系數(shù)是評(píng)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(duì)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(jí)的要求。

        2.2 保溫材料的確定

        動(dòng)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(píng)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(duì)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(hào):WTH150-40W4。

        圖4 電池包低溫靜置實(shí)驗(yàn)

        測(cè)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(hào),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(duì)比

        仿真模型與測(cè)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(duì)流換熱系數(shù)5 W/(m2·K),下箱體外表面對(duì)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(cè)點(diǎn)溫降曲線對(duì)比??梢钥闯?,最高溫度監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)流換熱系數(shù)5 W/(m2·K),下箱體外表面設(shè)置對(duì)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(dòng),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(píng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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 ℃。

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