基于低温工况的纯电动汽车电池保温设计

汪志祥 谭雨点

摘 要：针对纯电动汽车动力锂离子蓄电池包在低温工况下散热严重导致温差较大的问题，文章设计了一种电池包保温层，以某纯电动汽车电池包为样本，对电池包及模组进行温度场仿真及低温静置试验，结果表明：在低温-20℃工况下，样品电池包增加保温层设计后，电池的最大温差和降温速率都明显减小，整包保温性能得到改善。

关键词：纯电动汽车;电池包;低温工况;保温性能

中图分类号：U469.72+2  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）19-18-03

Heat Insulation Optimization Design of Battery Pack of Pure Electric Vehicle

Based on Low Temperature Working Condition

Wang Zhixiang， Tan Yudian

（Engineering Research Institute of Chery New Energy Automobile Co.， Ltd.， Anhui Wuhu 241002）

Abstract： For pure electric vehicles power lithium ion battery pack under the working condition of low temperature heat serious lead to the problem of large temperature difference， thermal insulation， this paper designs a battery pack to a pure electric vehicle battery pack as samples， the battery pack and module temperature field simulation and let stand at low temperature test， the results show that in low temperature 20℃ condition， sample after adding insulation layer design to the battery pack， battery maximum temperature and cooling rate are obviously reduced， the whole package thermal insulation performance is improved.

Keywords： Pure electric vehicles; Battery pack; Low temperature condition; Heat preservation

CLC NO.： U469.72+2  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）19-18-03

前言

目前，新能源汽车行业主要将锂离子蓄电池作为主要储能元件，也是纯电动汽车中最关键的核心部件，电池所储存的电量直接影响新能源汽车的续航里程，因此其性能的好坏直接影响着电动汽车的发展进程。锂离子动力电池相比其他类型电池具备能量密度高、单体电压高、充放电特性好、使用寿命长等优势，但和其他类型电池一样，锂电池也同时具备低温性能差的电化学缺陷，当环境温度在O℃及以下时，锂电池的性能也会大幅地衰减，主要表现在容量减小和充放电倍率降低，随着纯电动汽车的不断推广，在低温工况的使用研究变得尤为重要。

纯电动汽车在冬季低温环境下使用时，电池包散热严重，电池热管理系统会控制加热元器件对锂电池进行加热，根据普通用户的一般用车习惯，电动汽车在日间使用后，电池包内会积攒一定的热量，夜晚静置不使用时电池温度会下降。因此需要对电池进行保温，本文设计了一种电池包保温层，在低温环境下将电池热量更好的储蓄起来，使电池温度维持在合理区间，可以有效地提高纯电动汽车动力电池使用性能[1-3]。

1 保温方案

1.1 某纯电动汽车动力电池包结构

电池包为了满足密封和强度要求，整包上壳体和下箱体采用金属材料制成，金属的导热系数较高，低温工况下散热严重，整包结构简图如图1所示。

1.2 保温层设计

1.2.1 保温材料的选择

电池包内使用的保温材料除了导热系数低之外，需具备阻燃、绝缘、柔软和质量轻等特点，根据表1中常用的保温材料特性，气凝胶的总体性能要优于其他保温材料，且气凝胶具有良好的阻燃隔热性能，因此选用气凝胶作为样品电池包的保温隔热材料。

1.2.2 保温层布置

通过对不同保温材料的性能对比分析，选用气凝胶作为电池包的保温层，气凝胶保温层形状可根据实际需求进行裁剪加工，由于电池包内模组表面形状不规整，周边布置有高压铜排和低压线束，因此将保温层仿形粘贴在下箱体和上壳体内壁。

2 電池包温度场仿真分析

2.1 仿真模型建立

电池包系统中包含很多部件，因此在仿真过程中，需对电池包系统结构的部分模组支架、铜排和BMS等电子器件进行简化去除，以便对电池包进行前处理网格划分，在进行保温处理仿真时，由于保温处理是将二氧化硅气凝胶保温层贴在箱体内表面，所以电池包箱体内表面均设置成绝热壁面，构成壁面的边界条件，使仿真电池包达到保温绝热效果，不考虑辐射换热[4-5]。

2.2 仿真参数设置

仿真试验参数是根据电池包内各物件的材料属性进行设置，具体参数见下表2，将电池包长时间静置于-20℃低温环境下，电池包箱体内部及电池模组初始温度40℃，电池包静置时长为10个小时，进行瞬态计算，监控数据的电池模组最高、平均及最低温度，对比电池包分别在有无保温两种情况下的保温效果[6]。

2.3 仿真结果分析

通过对电池包温度场的仿真分析，得出整包在低温工况下的降温过程仿真云图。

从图3中可以看出，上层模组比底层模组降温要慢，底层模组由于与下箱体有固定接触，下箱体是金属结构导热系数比较高，因此底层模组在-20℃低温环境下散热快，温度普遍较低。图中（a）、（b）表示的是电池包仿真降温后温度，其中无保温电池包模组最高温度为36.75℃，模组平均温度为24.2℃，有保温电池包模组最高温度为37.16℃，模组平均温度为27℃。

由表3电池包有无保温温度数据对比可知，在环境温度-20℃，电池起始温度40℃情况下，经过5个小时的静止时间，有保温电池整体温度比无保温电池高，模组边缘位置温度偏低，最高温度都在二层模组，有保温电池包平均温降速率为2.8℃/h，無保温电池包平均温降速率为3.3℃/h。根据平均温降速率，电池包添加保温层后，模组降温速率明显降低。

3 电池包低温静置试验

3.1 试验准备

以某纯电动汽车电池样包作为试验对象，共设置有18个温感点采集不同位置电池温度，热管理系统采用液冷集成板对电池模组进行控温，液冷集成板安装在模组底部，电池包需要进行保温时，即将箱体内壁都粘上气凝胶保温层，分别粘在上壳体和下箱体的内壁面。

气凝胶保温层为白色材质，厚度2mm，导热系数≤0.02 W/（m·k），材质阻燃等级为UL94-V0，使用温度范围为-40℃～130℃。

3.2 试验方案

（1）在-20℃环境温度下，通过充放电，将电池SOC调整为100%SOC的状态，开启热管理温控系统对电池进行加热，为了缩短试验时间和电芯安全，电池温度升温不宜过高，因此电池升温温度稳定在30℃;

（2）电池温度稳定在30℃左右后，此时热管理温控系统不工作，电池包在环境仓内静置5h，电池管理系统采集各温感数据;

（3）分别进行两次测试，测试1为电池包有保温层措施，测试2为电池包无保温层措施，可以对比这两种状态下电池组的降温速率。

3.3 试验结果及分析

电池包在低温-20℃环境仓静置5h，BMS上位机监控并记录每个时间段电池单体温度的变化情况。

由上图表的实验结果可知，两种情况下的截止最高温度都为3℃，截止最低温度相对升高，即电池包保温后对高温点影响不明显，有效地提高了低温点温度;电池包在有保温层时，各温感点截止温度最大温差为4℃，无保温层时，各温感点截止温度最大温差为7℃;有保温层电池包平均温降速率为5℃/h，无保温层电池包平均温降速率为6.2℃/h;布置保温层后的电池包降温速率和截止最大温差相对减小。

4 结论

本文提出了一种纯电动汽车电池包在低温工况下的保温层设计，对不同保温材料的性能进行比对，采用气凝胶作为电池包内的保温材料，通过温度场仿真和试验测试，在-20℃低温工况下，布置保温层后的电池包降温速率和截止最大温差相对减小，此保温设计方法在电池包内具有较强的适用性，能够提高动力蓄电池在低温环境地区的使用性能。

参考文献

[1] 王芳，夏军.电动汽车动力电池系统安全分析与设计[M].北京：科学出版社，2016：52-69.

[2] 许旋，王波.液冷动力电池系统高寒保温与加热试验研究[J].客车技术与研究，2019，01：19-21.

[3] 白帆飞，陈明彪.半导体制冷-相变材料保温的电池组热管理[J].电池，2017，47（6）：324-327.

[4] 刘存山，张红伟.汽车动力电池低温加热方法研究[J].电源技术， 2015 （8）：1645-1647.

[5] 李友才.车用质子交换膜燃料电池电堆保温仿真研究[J].电源技术，2016， 40（3）：580-582.

[6] 张鹏飞，李任江，等.基于ANSYS的纳硫电池保温结构优化设计[J].长春工业大学学报，2016，37（1）：79-82.