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電動(dòng)車電池包熱傷害仿真及優(yōu)化

2021-10-24 00:26:22·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：張俊凱等  
　
文章來源：東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心前言近年來國家不斷加大對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的扶持力度，新能源車得到迅速發(fā)展，動(dòng)力電池是決定一輛電動(dòng)車性能的關(guān)鍵因素。電池包
文章來源：東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心

前言
近年來國家不斷加大對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的扶持力度，新能源車得到迅速發(fā)展，動(dòng)力電池是決定一輛電動(dòng)車性能的關(guān)鍵因素。電池包熱管理技術(shù)取得了長遠(yuǎn)發(fā)展，對(duì)其研究多集中于電池包單體內(nèi)部的散熱和產(chǎn)熱，電池包外殼溫度對(duì)包內(nèi)的溫度影響也至關(guān)重要。這涉及電池包在實(shí)車布置中引起的熱害問題，過往研究主要集中在室溫環(huán)境下，一般將電池單體放在恒溫箱中評(píng)價(jià)，或單獨(dú)建立排氣管、隔熱罩、電池包進(jìn)行熱害仿真的研究，而在實(shí)車中部件很多，局部溫度會(huì)受全場(chǎng)影響，基于電動(dòng)汽車整車實(shí)際運(yùn)行的電池包熱害研究更準(zhǔn)確更有指導(dǎo)意義。本文基于某款增程式電動(dòng)車數(shù)據(jù)，通過Starccm+、Taitherm等CFD軟件計(jì)算整車溫度場(chǎng)，得到了電池外殼溫度，再將外殼溫度映射到單獨(dú)建立的電池包模型，進(jìn)行包內(nèi)的溫度場(chǎng)計(jì)算，確保獲得更接近實(shí)際的溫度邊界。
一般排氣管位于電池包側(cè)面，本文論及車型中電池包結(jié)構(gòu)下方留有排氣管的通道，排氣管位于電池包中間正下方，三個(gè)方向都會(huì)向電池包輻射散熱，因此對(duì)溫度要求更高。
1問題背景與數(shù)學(xué)模型
1.1問題背景
在某全新的增程式電動(dòng)車中，電池包與排氣管相對(duì)位置如圖1所示。電池包下方留有排氣管通道，通道表面全部覆蓋隔熱罩，電池包前隔熱罩做出排氣管穿過的缺口，排氣管向通道的三個(gè)表面輻射熱量。為保證電池內(nèi)部模塊在正常溫度區(qū)間工作，電芯模組接觸的內(nèi)殼溫度要求在60℃以下，需進(jìn)行優(yōu)化降低排氣管熱害。

由排氣管到電池包內(nèi)殼的傳熱過程主要熱阻示意如下圖2所示，降低熱害本質(zhì)是要增加排氣管到外殼之間的傳熱熱阻。

1.2數(shù)學(xué)模型基本理論
對(duì)于整車熱流場(chǎng)分析，將空氣視為不可壓縮流體，則整個(gè)流場(chǎng)為三維、定常、粘性、湍流流動(dòng)，控制方程為雷諾平均N-S方程，遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒定律。
（1）質(zhì)量守恒方程：
（2）動(dòng)量守恒方程（運(yùn)動(dòng)方程，N-S方程）：
（3）能量方程

式中：v為平均速度，vi為平均速度分量，xi為坐標(biāo)分量，T為溫度，K為流體的傳熱系數(shù)，Cp為比熱容，
ST為粘性耗散，表示流體內(nèi)熱源由于粘性作用使流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的部分。
運(yùn)用CFD進(jìn)行仿真時(shí)，本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算求解，控制方程包括k方程和ε方程，分別為：

式中：GK、Gb分別為平均速度梯度和浮力引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的影響；
C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Sk和Sε為用戶定義的源項(xiàng)。
在Taitherm中進(jìn)行熱輻射計(jì)算，數(shù)值計(jì)算遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律和蘭貝特定律，公式分別如下：

式中為光譜輻射力，為波長，T為熱力學(xué)溫度，c1、c2為輻射常量，為定向輻射強(qiáng)度。
2整車模型建立
在Starccm+中按照1:1建立整車三維模型，全局按照最小8mm，最大24mm劃分面網(wǎng)格，機(jī)艙重要部件如冷卻系統(tǒng)、風(fēng)扇以及重點(diǎn)關(guān)注部件電池包等進(jìn)行表面加密，整車外部構(gòu)建長方體計(jì)算域，生成包面網(wǎng)格，用多面體方式生成體網(wǎng)格，發(fā)動(dòng)機(jī)艙和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行體加密，生成體網(wǎng)格數(shù)量780萬。整車Y=0截面體網(wǎng)格生成情況如圖3所示。

將Starccm+包面remesh的面網(wǎng)格中與輻射換熱相關(guān)的部件導(dǎo)入Taitherm中，用于輻射耦合計(jì)算，在Taitherm中生成排氣管各段流線。怠速工況排氣流量9.3g/s，排氣溫度740℃，并設(shè)置各個(gè)部件的材料、厚度，發(fā)動(dòng)機(jī)等熱源溫度。
進(jìn)行Starccm+穩(wěn)態(tài)計(jì)算3000步，輸出耦合部件表面對(duì)流換熱系數(shù)和周圍空氣溫度，計(jì)算結(jié)果文件導(dǎo)入Taitherm里進(jìn)行輻射計(jì)算，Taitherm計(jì)算完成后的表面溫度再導(dǎo)入Starccm+作為第一類溫度邊界條件，如此反復(fù)迭代7輪以上至溫度穩(wěn)定。將電池包的溫度導(dǎo)出，得到整車實(shí)際運(yùn)行中電池包表面溫度邊界。
3基礎(chǔ)模型結(jié)果分析
怠速工況中（風(fēng)扇延遲關(guān)閉）因電池包表面沒有強(qiáng)烈的對(duì)流換熱條件而更加惡劣，重點(diǎn)針對(duì)怠速工況進(jìn)行優(yōu)化。電池包結(jié)構(gòu)在通道兩側(cè)留有孔洞，可監(jiān)測(cè)孔洞內(nèi)的溫度作為內(nèi)殼溫度。電池包隔熱罩溫度云圖如圖4，電池包表面溫度云圖如圖5所示。

選取通道右側(cè)孔洞監(jiān)測(cè)內(nèi)壁面溫度，如圖6所示。
在base方案中，怠速工況下內(nèi)殼表面溫度最高達(dá)到94℃，遠(yuǎn)超電池要求穩(wěn)定工作的內(nèi)殼溫度60℃，中通道和兩個(gè)側(cè)面受到輻射熱量最高，需要在此處重點(diǎn)優(yōu)化。
排氣管附近流場(chǎng)速度矢量圖如圖7所示，可以看出怠速工況由于風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速，電池包下方存在水平方向的速度，區(qū)別于自然對(duì)流熱氣上升情況，熱氣向車體下方和四周擴(kuò)散，不會(huì)過多在排氣管上方聚集。

4優(yōu)化方案
4.1隔熱罩表面貼隔熱材料
電池包通道的隔熱罩作用是減少輻射熱量，排氣管將熱量輻射到隔熱罩上，實(shí)際再向電池包外殼輻射熱量的是隔熱罩，嘗試在隔熱罩背面即靠近外殼一側(cè)貼上隔熱材料，起到降低輻射熱源溫度的目的。隔熱材料選擇氣凝膠，厚度2mm，氣凝膠參數(shù)如下表1。

仿真設(shè)置時(shí)，氣凝膠無需重新建模，在Taitherm中將隔熱罩設(shè)置為兩層材料，第一層隔熱罩本身鋁材料，第二層氣凝膠，設(shè)置相應(yīng)的物性條件，將隔熱罩背面溫度映射到Starccm+隔熱罩。仿真結(jié)果隔熱罩溫度云圖如圖8，電池包表面溫度云圖如圖9，外殼內(nèi)壁面溫度如圖10。


可以看出，在隔熱罩背面貼了氣凝膠后，隔熱罩背面溫度最高僅有10℃的降低，電池包中通道溫度依舊集中在90℃以上，內(nèi)壁面前端溫度同樣很高，此種優(yōu)化沒有明顯效果。分析如下：
1.隔熱罩溫度在110℃左右，此溫度輻射換熱較小，換熱以對(duì)流換熱占主導(dǎo)，對(duì)隔熱罩的處理不能解決高溫氣體接觸電池，所以在隔熱罩上貼隔熱材料，或采用雙層隔熱罩結(jié)構(gòu)，對(duì)降低熱害效果有限。
2.電池包周圍空氣溫度100℃左右，高溫?zé)釟鈺?huì)從中通道兩側(cè)孔洞進(jìn)入加熱電池包內(nèi)壁面。
3.電池包前端隔熱罩遮擋了通道，后方會(huì)產(chǎn)生渦流，風(fēng)速較低，導(dǎo)致通道前端溫度升高，這種影響在非怠速工況中會(huì)更加明顯。
為達(dá)到電池包內(nèi)殼溫度要求，除了加隔熱材料，還有必要對(duì)隔熱罩、電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。首先將前端隔熱罩多余部分切除，只留出通道大小，如下圖11所示。

同時(shí)封堵孔洞，避免高溫氣體直接接觸內(nèi)壁面，如下圖12所示。

4.2電池包表面貼隔熱材料
在對(duì)電池包和隔熱罩進(jìn)行優(yōu)化后，直接將氣凝膠貼在電池包殼體表面，阻斷表面高溫?zé)釟猓瑫r(shí)增大導(dǎo)熱熱阻，由排氣管到電池包內(nèi)殼的傳熱過程如圖13。

此時(shí)電池包外表面是一個(gè)完整封閉的區(qū)域，整車計(jì)算生成包面網(wǎng)格會(huì)清除內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為了得到內(nèi)殼溫度，單獨(dú)建立電池包完整模型。本文電池包主要由殼體、8個(gè)模組、BMS、BDU、冷卻液管路、水冷板構(gòu)成。本文關(guān)注排氣溫對(duì)其影響，在電池包內(nèi)部熱管理系統(tǒng)不運(yùn)作，芯體不產(chǎn)熱情況下，能達(dá)到安全溫度。電池包表面貼氣凝膠傳熱模型示意圖如圖14所示。

電池內(nèi)各零部件是固體域，分別設(shè)置材料參數(shù)；冷卻液流道內(nèi)是流體域（冷卻液），殼內(nèi)其它空間是空氣的流體域，采用k-ε湍流模型，還需打開boussinesq模型，考慮自然對(duì)流的影響，各區(qū)域之間用interface進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。體網(wǎng)格劃分時(shí)均采用切割體網(wǎng)格生成器，流體域設(shè)立邊界層網(wǎng)格，2層邊界層，邊界層厚度0.2mm。整個(gè)電池包網(wǎng)格數(shù)量3400萬。空氣域局部體網(wǎng)格如下圖15所示。
映射整車計(jì)算得到的電池包表面溫度數(shù)據(jù)，因?yàn)樵O(shè)置高溫邊界，為避免內(nèi)部溫度一直升高，采用瞬態(tài)計(jì)算，計(jì)算時(shí)長1小時(shí)。
氣凝膠的厚度是降低熱害的重要因素，但厚度會(huì)受隔熱罩和外殼空間距離限制，還要考慮成本，并且厚度增加，離熱源更近，氣凝膠表面溫度升高，隔熱效果需要進(jìn)行驗(yàn)證。
對(duì)電池包表面貼2mm、5mm、10mm氣凝膠不同工況進(jìn)行計(jì)算，和無隔熱材料結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在相同位置處建立測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)溫度。以貼5mm氣凝膠溫度云圖為例示意測(cè)點(diǎn)位置，其它工況都選擇相同位置測(cè)點(diǎn)。
帶隔熱罩溫度云圖如圖16所示，隱藏隔熱罩的電池包溫度云圖如圖17所示。

外殼溫度值在Taitherm中讀出，不同厚度氣凝膠測(cè)點(diǎn)溫度統(tǒng)計(jì)圖見圖18，其中內(nèi)殼溫度已經(jīng)過映射單體計(jì)算。


由圖18統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)比不同厚度氣凝膠的電池包溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，有以下結(jié)論：
（1）貼2mm氣凝膠電池包內(nèi)殼最高溫63℃，5mm最高58℃，10mm最高55℃；
（2）2mm氣凝膠電池包外殼溫度最多降低31℃，5mm最多降低37℃，10mm最多降低40℃；
（3）隨氣凝膠厚度增加，更接近排氣管，電池包表面溫度減低，氣凝膠表面溫度升高；
（4）隨氣凝膠厚度增加降低熱害效果減小，穩(wěn)態(tài)計(jì)算穩(wěn)定后，受到單體電池包內(nèi)部換熱影響，整車計(jì)算的電池包內(nèi)部溫度趨于穩(wěn)定。
4.3電池包單體溫度驗(yàn)證
電池包內(nèi)殼溫度滿足要求后，為驗(yàn)證內(nèi)部模組溫度，映射電池包貼10mm氣凝膠的表面溫度，進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，電池內(nèi)部冷卻系統(tǒng)不啟動(dòng)，仿真工況見表2。

模組電芯因不同方向?qū)崴俾什煌?，需要區(qū)分設(shè)置，電芯物性參數(shù)見表3。
計(jì)算完成3600s時(shí)刻對(duì)電池包內(nèi)部各部件最高溫統(tǒng)計(jì)見表4。

各部件最高溫均屬于電池正常工作溫度區(qū)間，仿真結(jié)果驗(yàn)證了采用電池包表面貼10mm氣凝膠優(yōu)化方案可以達(dá)到溫度要求。
5結(jié)論
本文針對(duì)某增程式電動(dòng)車電池包三面受排氣管熱輻射的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了仿真分析，提出優(yōu)化方案并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，達(dá)到了電池包內(nèi)部工作許可溫度。具體結(jié)論如下：
1.怠速工況下電池包隔熱罩溫度110℃左右，此溫度下對(duì)流換熱占主導(dǎo)作用，僅對(duì)隔熱罩優(yōu)化無法避免高溫氣體接觸電池，無法降低熱害；
2.隨著電池包表面隔熱材料厚度增加，外殼溫度不斷減小，貼10mm氣凝膠外殼溫度最高降低40℃；
3.電池內(nèi)部溫度會(huì)趨于穩(wěn)定，增加表面隔熱材料厚度降低熱害效果會(huì)減小，在選取隔熱材料厚度時(shí)，要結(jié)合空間余量和成本進(jìn)行考慮。
4.對(duì)單體電池包模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，電池模組溫度屬于正常工作區(qū)間，驗(yàn)證了優(yōu)化方案可行性。
 
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