基于ANSYS 分析保溫層厚度對動力電池的影響

張宗喜 鹿文浩 范祥 李紅智 王霈 宋傳增

（山東建筑大學機電工程學院 山東濟南 250101）

0 引言

動力電池作為純電動汽車的關鍵零部件之一，其工作性能的好壞嚴重制約著電動汽車的推廣。工作溫度對動力電池的影響比較大，其最佳工作溫度是在15～35 ℃之間［1］。在我國北方地區，電動汽車需要長期在0 ℃以下環境中工作，會出現電池一致性差、充放電困難、使用壽命縮短以及續航里程短等問題［1-2］，這極大地制約電動汽車在我國北方的推廣。為解決這個問題，除了加熱，還可以進行保溫，減少電池包熱量的散失，來避免能源不必要的浪費。

根據用戶的一些用車習慣來看：①在白天使用電動汽車時，會進行時間相對較短的停車，為了避免啟動時頻繁的加熱，需要對電動汽車進行保溫；②夜間停車以后需要對電動汽車進行充電，而停車前電池包內會有一定的熱量，保溫使得電池包在一定的時間內溫度保持在理想范圍內，從而可以使得動力電池的充電性能維持在一個理想的狀態［1-3］。

1 電池包保溫理論基礎

熱傳遞主要有熱傳導、熱輻射和熱對流3 種形式［4］，在研究電池包的保溫過程中主要是熱傳導和熱對流2 種形式。

1.1 熱傳導

根據傅里葉定律，單位時間內通過該層的導熱熱量與溫度變化率以及平板的面積成正比［4］，見式（1）。

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

1.2 熱對流

對流換熱的計算公式是牛頓冷卻公式［4］，如式（2）。

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

1.3 導熱微分方程

電池包的傳熱數學模型簡化為三維、常物性、無內熱源的非穩態導熱微分方程，見式（3）。

式中：τ 為分析時間；λ 為分析對象導熱系數；ρ 為分析對象密度；ci為分析對象比熱容；?t/?x 為分析時間內該對象的溫度變化。

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 軟件對電池包進行三維建模，三維模型如圖1 所示。

圖1 電池包三維模型

平均溫度≤350 ℃時導熱系數＜0.14 W/（m·k）的材料叫保溫材料，該類材料一般具有阻燃、質輕、導熱系數小、吸水率低、抗壓縮性好等特點［1-3］。而本文選用酚醛板作為保溫材料，其導熱系數為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壁。

2.2 電池包有限元模型的建立

本文通過使用ANSYS 軟件中Fluent Meshing 模塊對電池包的有限元模型進行非結構化網格劃分（如圖2 所示），建立流固耦合模型。非結構化網格具有2 個優點：①非結構化網格在處理幾何模型的邊界問題上具有更好的靈活性；②非結構化網格可以很方便地作自適應計算，不僅效率高，還可以合理地分布網格的疏密程度，從而提高模型的計算精度［5-6］。

為了便于計算過程的收斂，縮短計算時間，電池包保溫模型需要進行簡化處理，有3 個原則：①各材料的比熱容、導熱系數、密度等物理參數是不變的，不隨環境溫度變化而變化；②導熱系數在同一方向不發生變化；③由于單體電池內部的電解液流動性很差且沒有較大的溫差出現，不會產生對流換熱，所以單體電池內部的電解液熱傳遞主要是熱傳導。

3 電池模組的溫度場仿真分析

3.1 仿真條件設置

（1）網格質量選取General 中的Check 進行網格質量檢查，目的是為了檢查網格是否有負體積、域的范圍、體積的數據統計、網格拓撲和周期邊界信息等［7］。

（2）求解器設置需要在General 界面的Solver 中進行相關設置。

（3）仿真計算模型選取能量模型。

（4）本文通過相關的參考文獻［8-10］，收集電池包內各部件的熱物性參數，在Materials 中添加各材料屬性，具體熱物性參數見表1。

表1 電池包仿真參數

（5）設置邊界條件，設置電池包邊界條件，本文設定對流換熱系數為5 W/（m2·k）進行計算。

（6）設置算法、離散方法和計算控制參數采用默認值。

（7）需要監控電池模組最終平均溫度，所以需要設置監控器。因為電池包整體左右對稱，所以只需要監控右邊6 個電池模組的平均溫度變化即可，監控模組編號如圖3 所示。

圖3 監控模組位置圖

（8）求解器設置，外界環境溫度設置為-15 ℃，電池包的初始溫度為20 ℃，計算時間為10 h，步長為100 s，總共360 步，其他仿真條件設置采取默認值。

3.2 仿真分析結果

為了研究不同厚度的保溫層的保溫效果，設定8 組不同厚度的保溫層進行仿真分析。通過仿真分析得到8 組數據，如表2 所示。

表2 不同厚度保溫層的電池包溫度情況對比

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

為了更加直觀地可以看出保溫層厚度變化對動力電池的影響，對6 個檢測模組的平均溫度最終結果進行繪圖，如圖4所示。選取保溫層厚度為0、3、5、7 mm 4 組數據仿真結果圖，如圖5 所示。

圖4 不同保溫層厚度下監控模組溫度變化圖

圖5 酚醛板保溫層不同厚度的仿真結果

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的時候，溫度一致性達到最佳情況。

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，電池模組中心區域的溫度普遍高于邊緣區域的溫度。這是因為溫度傳導是朝著各個方向擴散，而電池模組在Y 方向傳導速率幾乎一樣，在X 和Z 方向上電池模組中心區域離著電池包殼體卻比較遠，熱傳導速率比較慢，所以造成電池模組的溫度從中心區域向邊緣區域逐漸降低。

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 個原因：①下殼的導熱系數高于上殼的導熱系數；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 結論

通過仿真分析可以看出：

（1）保溫層厚度適當地增加可以提高保溫效果，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 的時候，溫度一致性達到最佳情況。

（3）電池模組中心區域溫度普遍高于邊緣區域溫度。

（4）電池模組上部溫度普遍高于下部溫度。