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电动车电池包热伤害仿真及优化
2021-10-24 00:26:22· 来源：电动学堂 作者：张俊凯等
文章来源：东风日产乘用车公司技术中心前言近年来国家不断加大对新能源产业的扶持力度，新能源车得到迅速发展，动力电池是决定一辆电动车性能的关键因素。电池包
文章来源：东风日产乘用车公司技术中心
前言
近年来国家不断加大对新能源产业的扶持力度，新能源车得到迅速发展，动力电池是决定一辆电动车性能的关键因素。电池包热管理技术取得了长远发展，对其研究多集中于电池包单体内部的散热和产热，电池包外壳温度对包内的温度影响也至关重要。这涉及电池包在实车布置中引起的热害问题，过往研究主要集中在室温环境下，一般将电池单体放在恒温箱中评价，或单独建立排气管、隔热罩、电池包进行热害仿真的研究，而在实车中部件很多，局部温度会受全场影响，基于电动汽车整车实际运行的电池包热害研究更准确更有指导意义。本文基于某款增程式电动车数据，通过Starccm+、Taitherm等CFD软件计算整车温度场，得到了电池外壳温度，再将外壳温度映射到单独建立的电池包模型，进行包内的温度场计算，确保获得更接近实际的温度边界。
一般排气管位于电池包侧面，本文论及车型中电池包结构下方留有排气管的通道，排气管位于电池包中间正下方，三个方向都会向电池包辐射散热，因此对温度要求更高。
1问题背景与数学模型
1.1问题背景
在某全新的增程式电动车中，电池包与排气管相对位置如图1所示。电池包下方留有排气管通道，通道表面全部覆盖隔热罩，电池包前隔热罩做出排气管穿过的缺口，排气管向通道的三个表面辐射热量。为保证电池内部模块在正常温度区间工作，电芯模组接触的内壳温度要求在60℃以下，需进行优化降低排气管热害。
由排气管到电池包内壳的传热过程主要热阻示意如下图2所示，降低热害本质是要增加排气管到外壳之间的传热热阻。
1.2数学模型基本理论
对于整车热流场分析，将空气视为不可压缩流体，则整个流场为三维、定常、粘性、湍流流动，控制方程为雷诺平均N-S方程，遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒定律。
（1）质量守恒方程：
（2）动量守恒方程（运动方程，N-S方程）：
（3）能量方程
式中：v为平均速度，vi为平均速度分量，xi为坐标分量，T为温度，K为流体的传热系数，Cp为比热容，
ST为粘性耗散，表示流体内热源由于粘性作用使流体机械能转化为内能的部分。
运用CFD进行仿真时，本文采用标准k-ε湍流模型进行计算求解，控制方程包括k方程和ε方程，分别为：
式中：GK、Gb分别为平均速度梯度和浮力引起的湍动能的产生项；YM为可压湍流中脉动扩张的影响；
C1ε、C2ε和C3ε为经验常数；Sk和Sε为用户定义的源项。
在Taitherm中进行热辐射计算，数值计算遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律和兰贝特定律，公式分别如下：
式中为光谱辐射力，为波长，T为热力学温度，c1、c2为辐射常量，为定向辐射强度。
2整车模型建立
在Starccm+中按照1:1建立整车三维模型，全局按照最小8mm，最大24mm划分面网格，机舱重要部件如冷却系统、风扇以及重点关注部件电池包等进行表面加密，整车外部构建长方体计算域，生成包面网格，用多面体方式生成体网格，发动机舱和冷却系统进行体加密，生成体网格数量780万。整车Y=0截面体网格生成情况如图3所示。
将Starccm+包面remesh的面网格中与辐射换热相关的部件导入Taitherm中，用于辐射耦合计算，在Taitherm中生成排气管各段流线。怠速工况排气流量9.3g/s，排气温度740℃，并设置各个部件的材料、厚度，发动机等热源温度。
进行Starccm+稳态计算3000步，输出耦合部件表面对流换热系数和周围空气温度，计算结果文件导入Taitherm里进行辐射计算，Taitherm计算完成后的表面温度再导入Starccm+作为第一类温度边界条件，如此反复迭代7轮以上至温度稳定。将电池包的温度导出，得到整车实际运行中电池包表面温度边界。
3基础模型结果分析
怠速工况中（风扇延迟关闭）因电池包表面没有强烈的对流换热条件而更加恶劣，重点针对怠速工况进行优化。电池包结构在通道两侧留有孔洞，可监测孔洞内的温度作为内壳温度。电池包隔热罩温度云图如图4，电池包表面温度云图如图5所示。
选取通道右侧孔洞监测内壁面温度，如图6所示。
在base方案中，怠速工况下内壳表面温度最高达到94℃，远超电池要求稳定工作的内壳温度60℃，中通道和两个侧面受到辐射热量最高，需要在此处重点优化。
排气管附近流场速度矢量图如图7所示，可以看出怠速工况由于风扇高转速，电池包下方存在水平方向的速度，区别于自然对流热气上升情况，热气向车体下方和四周扩散，不会过多在排气管上方聚集。
4优化方案
4.1隔热罩表面贴隔热材料
电池包通道的隔热罩作用是减少辐射热量，排气管将热量辐射到隔热罩上，实际再向电池包外壳辐射热量的是隔热罩，尝试在隔热罩背面即靠近外壳一侧贴上隔热材料，起到降低辐射热源温度的目的。隔热材料选择气凝胶，厚度2mm，气凝胶参数如下表1。
仿真设置时，气凝胶无需重新建模，在Taitherm中将隔热罩设置为两层材料，第一层隔热罩本身铝材料，第二层气凝胶，设置相应的物性条件，将隔热罩背面温度映射到Starccm+隔热罩。仿真结果隔热罩温度云图如图8，电池包表面温度云图如图9，外壳内壁面温度如图10。
可以看出，在隔热罩背面贴了气凝胶后，隔热罩背面温度最高仅有10℃的降低，电池包中通道温度依旧集中在90℃以上，内壁面前端温度同样很高，此种优化没有明显效果。分析如下：
1.隔热罩温度在110℃左右，此温度辐射换热较小，换热以对流换热占主导，对隔热罩的处理不能解决高温气体接触电池，所以在隔热罩上贴隔热材料，或采用双层隔热罩结构，对降低热害效果有限。
2.电池包周围空气温度100℃左右，高温热气会从中通道两侧孔洞进入加热电池包内壁面。
3.电池包前端隔热罩遮挡了通道，后方会产生涡流，风速较低，导致通道前端温度升高，这种影响在非怠速工况中会更加明显。
为达到电池包内壳温度要求，除了加隔热材料，还有必要对隔热罩、电池包结构进行优化调整。首先将前端隔热罩多余部分切除，只留出通道大小，如下图11所示。
同时封堵孔洞，避免高温气体直接接触内壁面，如下图12所示。
4.2电池包表面贴隔热材料
在对电池包和隔热罩进行优化后，直接将气凝胶贴在电池包壳体表面，阻断表面高温热气，同时增大导热热阻，由排气管到电池包内壳的传热过程如图13。
此时电池包外表面是一个完整封闭的区域，整车计算生成包面网格会清除内部结构，为了得到内壳温度，单独建立电池包完整模型。本文电池包主要由壳体、8个模组、BMS、BDU、冷却液管路、水冷板构成。本文关注排气温对其影响，在电池包内部热管理系统不运作，芯体不产热情况下，能达到安全温度。电池包表面贴气凝胶传热模型示意图如图14所示。
电池内各零部件是固体域，分别设置材料参数；冷却液流道内是流体域（冷却液），壳内其它空间是空气的流体域，采用k-ε湍流模型，还需打开boussinesq模型，考虑自然对流的影响，各区域之间用interface进行连接，实现热量传递。体网格划分时均采用切割体网格生成器，流体域设立边界层网格，2层边界层，边界层厚度0.2mm。整个电池包网格数量3400万。空气域局部体网格如下图15所示。
映射整车计算得到的电池包表面温度数据，因为设置高温边界，为避免内部温度一直升高，采用瞬态计算，计算时长1小时。
气凝胶的厚度是降低热害的重要因素，但厚度会受隔热罩和外壳空间距离限制，还要考虑成本，并且厚度增加，离热源更近，气凝胶表面温度升高，隔热效果需要进行验证。
对电池包表面贴2mm、5mm、10mm气凝胶不同工况进行计算，和无隔热材料结果进行对比，在相同位置处建立测点统计温度。以贴5mm气凝胶温度云图为例示意测点位置，其它工况都选择相同位置测点。
带隔热罩温度云图如图16所示，隐藏隔热罩的电池包温度云图如图17所示。
外壳温度值在Taitherm中读出，不同厚度气凝胶测点温度统计图见图18，其中内壳温度已经过映射单体计算。
由图18统计结果，对比不同厚度气凝胶的电池包温度测点数据，有以下结论：
（1）贴2mm气凝胶电池包内壳最高温63℃，5mm最高58℃，10mm最高55℃；
（2）2mm气凝胶电池包外壳温度最多降低31℃，5mm最多降低37℃，10mm最多降低40℃；
（3）随气凝胶厚度增加，更接近排气管，电池包表面温度减低，气凝胶表面温度升高；
（4）随气凝胶厚度增加降低热害效果减小，稳态计算稳定后，受到单体电池包内部换热影响，整车计算的电池包内部温度趋于稳定。
4.3电池包单体温度验证
电池包内壳温度满足要求后，为验证内部模组温度，映射电池包贴10mm气凝胶的表面温度，进行瞬态计算，电池内部冷却系统不启动，仿真工况见表2。
模组电芯因不同方向导热速率不同，需要区分设置，电芯物性参数见表3。
计算完成3600s时刻对电池包内部各部件最高温统计见表4。
各部件最高温均属于电池正常工作温度区间，仿真结果验证了采用电池包表面贴10mm气凝胶优化方案可以达到温度要求。
5结论
本文针对某增程式电动车电池包三面受排气管热辐射的结构，进行了仿真分析，提出优化方案并进行仿真验证，达到了电池包内部工作许可温度。具体结论如下：
1.怠速工况下电池包隔热罩温度110℃左右，此温度下对流换热占主导作用，仅对隔热罩优化无法避免高温气体接触电池，无法降低热害；
2.随着电池包表面隔热材料厚度增加，外壳温度不断减小，贴10mm气凝胶外壳温度最高降低40℃；
3.电池内部温度会趋于稳定，增加表面隔热材料厚度降低热害效果会减小，在选取隔热材料厚度时，要结合空间余量和成本进行考虑。
4.对单体电池包模型进行瞬态计算，电池模组温度属于正常工作区间，验证了优化方案可行性。
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