張宗喜 鹿文浩 范祥 李紅智 王霈 宋傳增

（山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東濟(jì)南 250101）

0 引言

動(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵零部件之一，其工作性能的好壞嚴(yán)重制約著電動(dòng)汽車(chē)的推廣。工作溫度對(duì)動(dòng)力電池的影響比較大，其最佳工作溫度是在15～35 ℃之間［1］。在我國(guó)北方地區(qū)，電動(dòng)汽車(chē)需要長(zhǎng)期在0 ℃以下環(huán)境中工作，會(huì)出現(xiàn)電池一致性差、充放電困難、使用壽命縮短以及續(xù)航里程短等問(wèn)題［1-2］，這極大地制約電動(dòng)汽車(chē)在我國(guó)北方的推廣。為解決這個(gè)問(wèn)題，除了加熱，還可以進(jìn)行保溫，減少電池包熱量的散失，來(lái)避免能源不必要的浪費(fèi)。

根據(jù)用戶的一些用車(chē)習(xí)慣來(lái)看：①在白天使用電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，會(huì)進(jìn)行時(shí)間相對(duì)較短的停車(chē)，為了避免啟動(dòng)時(shí)頻繁的加熱，需要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行保溫；②夜間停車(chē)以后需要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電，而停車(chē)前電池包內(nèi)會(huì)有一定的熱量，保溫使得電池包在一定的時(shí)間內(nèi)溫度保持在理想范圍內(nèi)，從而可以使得動(dòng)力電池的充電性能維持在一個(gè)理想的狀態(tài)［1-3］。

1 電池包保溫理論基礎(chǔ)

熱傳遞主要有熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流3 種形式［4］，在研究電池包的保溫過(guò)程中主要是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流2 種形式。

1.1 熱傳導(dǎo)

根據(jù)傅里葉定律，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)該層的導(dǎo)熱熱量與溫度變化率以及平板的面積成正比［4］，見(jiàn)式（1）。

式中：Ф 為導(dǎo)熱熱量；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)；A 為平板的面積；dt/dx 為溫度變化率。

1.2 熱對(duì)流

對(duì)流換熱的計(jì)算公式是牛頓冷卻公式［4］，如式（2）。

式中：Ф 為對(duì)流換熱熱量；h 為對(duì)流換熱系數(shù)；A 為平板的面積；Δt 為溫差。

1.3 導(dǎo)熱微分方程

電池包的傳熱數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為三維、常物性、無(wú)內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，見(jiàn)式（3）。

式中：τ 為分析時(shí)間；λ 為分析對(duì)象導(dǎo)熱系數(shù)；ρ 為分析對(duì)象密度；ci為分析對(duì)象比熱容；?t/?x 為分析時(shí)間內(nèi)該對(duì)象的溫度變化。

2 電池包保溫方案

2.1 電池包三維模型的建立

本文采用的某款電池包進(jìn)行保溫性能研究。電池包上殼采用SMC 材料，下殼采用DC01 鋼材料。利用Solidworks 軟件對(duì)電池包進(jìn)行三維建模，三維模型如圖1 所示。

圖1 電池包三維模型

平均溫度≤350 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)＜0.14 W/（m·k）的材料叫保溫材料，該類(lèi)材料一般具有阻燃、質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低、抗壓縮性好等特點(diǎn)［1-3］。而本文選用酚醛板作為保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.022～0.030 W/（m·k）。保溫層的布置方案是將保溫層仿形粘貼在上下殼內(nèi)壁。

2.2 電池包有限元模型的建立

本文通過(guò)使用ANSYS 軟件中Fluent Meshing 模塊對(duì)電池包的有限元模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分（如圖2 所示），建立流固耦合模型。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有2 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在處理幾何模型的邊界問(wèn)題上具有更好的靈活性；②非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很方便地作自適應(yīng)計(jì)算，不僅效率高，還可以合理地分布網(wǎng)格的疏密程度，從而提高模型的計(jì)算精度［5-6］。

為了便于計(jì)算過(guò)程的收斂，縮短計(jì)算時(shí)間，電池包保溫模型需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，有3 個(gè)原則：①各材料的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度等物理參數(shù)是不變的，不隨環(huán)境溫度變化而變化；②導(dǎo)熱系數(shù)在同一方向不發(fā)生變化；③由于單體電池內(nèi)部的電解液流動(dòng)性很差且沒(méi)有較大的溫差出現(xiàn)，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)流換熱，所以單體電池內(nèi)部的電解液熱傳遞主要是熱傳導(dǎo)。

3 電池模組的溫度場(chǎng)仿真分析

3.1 仿真條件設(shè)置

（1）網(wǎng)格質(zhì)量選取General 中的Check 進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，目的是為了檢查網(wǎng)格是否有負(fù)體積、域的范圍、體積的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)格拓?fù)浜椭芷谶吔缧畔⒌龋?］。

（2）求解器設(shè)置需要在General 界面的Solver 中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。

（3）仿真計(jì)算模型選取能量模型。

（4）本文通過(guò)相關(guān)的參考文獻(xiàn)［8-10］，收集電池包內(nèi)各部件的熱物性參數(shù)，在Materials 中添加各材料屬性，具體熱物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電池包仿真參數(shù)

（5）設(shè)置邊界條件，設(shè)置電池包邊界條件，本文設(shè)定對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/（m2·k）進(jìn)行計(jì)算。

（6）設(shè)置算法、離散方法和計(jì)算控制參數(shù)采用默認(rèn)值。

（7）需要監(jiān)控電池模組最終平均溫度，所以需要設(shè)置監(jiān)控器。因?yàn)殡姵匕w左右對(duì)稱(chēng)，所以只需要監(jiān)控右邊6 個(gè)電池模組的平均溫度變化即可，監(jiān)控模組編號(hào)如圖3 所示。

圖3 監(jiān)控模組位置圖

（8）求解器設(shè)置，外界環(huán)境溫度設(shè)置為-15 ℃，電池包的初始溫度為20 ℃，計(jì)算時(shí)間為10 h，步長(zhǎng)為100 s，總共360 步，其他仿真條件設(shè)置采取默認(rèn)值。

3.2 仿真分析結(jié)果

為了研究不同厚度的保溫層的保溫效果，設(shè)定8 組不同厚度的保溫層進(jìn)行仿真分析。通過(guò)仿真分析得到8 組數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 不同厚度保溫層的電池包溫度情況對(duì)比

從表2 可以看出：隨著保溫層厚度不斷地增加，保溫效果越來(lái)越好，但是保溫效果所提升的幅度卻越來(lái)越小，而最高溫度和最低溫度分別在保溫層厚度為4 mm 和5 mm 的時(shí)候，增幅＜1 ℃。這時(shí)需要考慮因保溫層厚度變化導(dǎo)致重量增加所損失的電量，是否可以抵得上保溫所節(jié)省的電量。

為了更加直觀地可以看出保溫層厚度變化對(duì)動(dòng)力電池的影響，對(duì)6 個(gè)檢測(cè)模組的平均溫度最終結(jié)果進(jìn)行繪圖，如圖4所示。選取保溫層厚度為0、3、5、7 mm 4 組數(shù)據(jù)仿真結(jié)果圖，如圖5 所示。

圖4 不同保溫層厚度下監(jiān)控模組溫度變化圖

圖5 酚醛板保溫層不同厚度的仿真結(jié)果

從表2 和圖5 可以看出，電池模組的溫度一致性情況先變好再變差。為了進(jìn)一步確定溫度一致性最佳情況厚度的范圍，分別取保溫層厚度為3.5 mm 和4.5 mm 進(jìn)行仿真分析，溫差分別6.118 ℃和6.108 ℃，所以在保溫層厚度為4～4.5 mm的時(shí)候，溫度一致性達(dá)到最佳情況。

增加保溫層的目的是為了使得電池的容量在冬天可以充足地利用以及保證電池模組的溫度一致性情況良好，但是一味地增加保溫層厚度，不僅不能使得保溫效果得到顯著地增加，反而會(huì)造成電池包重量的增加，從而增大電池容量的損耗，得不償失。并且一味地增加保溫層厚度，也不能使得溫度一致性情況一致變好，因此保溫層的厚度應(yīng)該綜合保溫效果和溫度一致性情況考慮后，選擇適合的厚度。

從上述表1、表2 和圖4、圖5 可以看出，電池模組中心區(qū)域的溫度普遍高于邊緣區(qū)域的溫度。這是因?yàn)闇囟葌鲗?dǎo)是朝著各個(gè)方向擴(kuò)散，而電池模組在Y 方向傳導(dǎo)速率幾乎一樣，在X 和Z 方向上電池模組中心區(qū)域離著電池包殼體卻比較遠(yuǎn)，熱傳導(dǎo)速率比較慢，所以造成電池模組的溫度從中心區(qū)域向邊緣區(qū)域逐漸降低。

從圖5 可以看出，電池模組上部的溫度普遍高于下部的溫度，主要有2 個(gè)原因：①下殼的導(dǎo)熱系數(shù)高于上殼的導(dǎo)熱系數(shù)；②下部模組與保溫層有固定接觸，而上部模組與保溫層之間還有部分空氣存在，因此下部模組的散熱快，溫度偏低。

4 結(jié)論

通過(guò)仿真分析可以看出：

（1）保溫層厚度適當(dāng)?shù)卦黾涌梢蕴岣弑匦Ч?，但是如果一味地增加保溫層的厚度，不僅不能很好地提高保溫效果，反而會(huì)造成重量的增加。

（2）隨著保溫層的厚度增加，電池模組的溫度一致性情況先變好再變差，在保溫層厚度為4～4.5 mm 的時(shí)候，溫度一致性達(dá)到最佳情況。

（3）電池模組中心區(qū)域溫度普遍高于邊緣區(qū)域溫度。

（4）電池模組上部溫度普遍高于下部溫度。