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CAE仿真技术锂电动力系统绝热解决方案中的应用

2011/8/8    来源:e-works    专家:刘军涛      
关键字:动力系统  有限元  绝热设计  CAE仿真技术  
本文介绍了有限元技术在锂电绝热系统解决方案的应用,通过实验和仿真的对比表明了仿真的可行性,并在此基础上对绝热实验箱内电池做了多个工况的仿真,得出了电池温升、绝热效果等方面很有价值的结论,并在最后简单阐述了有限元仿真技术在锂电系统的应用前景和应用价值。

1 引言

    锂电动力系统运行环境复杂恶劣,当外界环境温度过高或者过低时(夏天60~65℃,冬天-20~-30℃),对系统的正常使用都会产生不良影响,尤其是夏天温度高时,如果系统的绝热保温设计考虑不够全面,除了系统安全使用的隐患外,还会给散热系统的设计带来很大的压力,当系统不考虑绝热设计时,电池系统变成了一个开放的系统,外界温度低时,向外界环境散热,外界温度高时,从外界环境吸热,相当于直接恶化了电池系统的工作环境,因此对电池系统的绝热保温设计进行研究对电池系统的安全使用和解决目前最难的热管理设计具有极为重要的意义。

    但是,锂电动力系统在进行绝热解决方案的设计时,采用传统的设计思路存在着以下难以克服的难题:

    1)验证难;

    因为锂电动力电池系统随整车运行的环境是一个瞬态非稳定变化的工况,在设计时,存在着实验环境无法做到与整车运行环境一致,因此,设计之后的验证工作变得极为复杂,锂电的绝热系统无法做到与整车相吻合的运行工况下进行效果验证。

    2)周期长;

    锂电系统的绝热设计作为电动汽车电池系统领域的新应用并非成熟的技术,因此在设计时需要做多次修改和优化,这就导致设计与验证之间双向交互的困难,而且由于每次调整设计需要进行重新设计验证,如果不配合仿真技术,会使得设计和验证的周期很长,而且需要投入大量的经济成本和时间成本。

    3)成本高;

    设计修改之后,要进行验证,则需要进行新系统的加工与试制,这种方式一个最明显的缺陷就是投入大,收效低,让设计费用变得无法有效评估,而且是否成功还成了未知数,因此在进行锂电系统的绝热设计时,仿真工作变成了必不可少的一环,能够极大的降低研发费用,同时也可以很大的提高研发的效率和成功率。

    综合以上问题,使得锂电动力电池系统在设计时若采用传动的设计思路变得极为困难,利用公司已建立的有限元分析平台,我们采用CAE有限元技术与传统实验方法相结合的方式来对锂电动力系统绝热设计进行重新定位思考,来解决单靠传统的设计-试验方法无法克服的困难,能够有效的解决传统设计方法所遇到的问题,具有很大的创新性和极高的推广价值。

2 技术难点与研究方法

    2.1 技术难点

    电动汽车绝热系统的解决方案在设计过程中,由于无现成经验可借鉴,因此在设计与研发过程中,存在着以下技术难点:

    1)对材料热物性要求高,要求在<5MM厚度情况下,电池置于65℃环境中,10小时温升小于10℃,对材料的绝热保温性能要求极高,需要材料供应商进行技术攻关并适用于电池系统,才能满足热物性性能需求;

    2)绝热保温材料与整个系统的匹配方式研究,要求绝热保温材料用到系统上之后,除满足热物性需求之外,还要满足车用的强度安全要求,对材料强度提出了一定要求,需要试验配合仿真的方式,得出这些技术参数;

    3)缺少必要的数据积累,包括材料属性、系统绝热试验数据以及材料在设计时的选型尺寸等都没有可借鉴的经验,在这样的前提下,如果按照传统方法进行,则需要大量的实验,花费人力、物力,但不一定会有好的效果,因此仿真技术的应用变成了必须的环节。

    2.2 研究方法

    综合考虑以上的困难,在进行汽车系统绝热解决方案设计时,采用了如下的课题研究路线:

    1)绝热材料热物性研究,根据实验和仿真数据,对系统满足总体目标所需的绝热保温材料热物性进行研究确认;

    2)对系统绝热进行实验和仿真,研究绝热材料的厚度与温升的关系方程式,以方便进行其他系统的绝热保温层进行设计参考;

    3)对目前已有的绝热材料进行调研和筛选,确认适用于电池系统绝热保温的材料,并进行实验确认实际保温绝热效果。

    4)绝热材料与系统总成的匹配方式进行设计,满足车用结构强度和振动强度需求;

    5)实验验证的顺序是单体-模块-系统逐步递进式进行的顺序,验证绝热技术解决方案用于电池系统后的绝热保温实际效果。

    结合仿真技术的解决方案研究路线如图2-1所示。

图2-1 绝热系统解决方案
 
图2-1 绝热系统解决方案

3 实验与仿真

    为了取得电池在绝热环境下的数据,专门设计了用于电池绝热实验的实验箱,配合使用高温设备,对电池进行有无绝热保温层条件下的实验,收集第一手实验数据,并根绝实验数据确认热仿真的边界条件。实验箱如图3-1所示。

图3-1 实验箱

图3-1 实验箱

    3.1 绝热实验

    实验描述1:将铝制箱体内壁贴上保温绝热材料,将55AH电池侧面贴紧箱体置于其中,比将温度采集点布置在电池上,然后将试验箱置于65℃高温箱内,静置10小时,采集温升数据,以获取该保温材料真实的保温绝热效果,并为后面绝热设计和数模仿真提供数据支持。

    实验完成后对实验数据进行了分析处理,如图3-2所示。

图3-2 单层绝热实验

图3-2 单层绝热实验

    实验结果说明:采用本保温材料实验结果显示,用时25000S,即7小时电池表面温度达到与高温箱内温度平衡,但第一轮试验采用圣戈班材料时,5小时之内,电池表面温度就达到了与环境温度相同,因此本次保温材料保温绝热效果优于圣戈班材料。

    实验描述2:将铝制箱体内壁与外壁同时贴上保温绝热材料,将55AH电池侧面贴紧箱体置于其中,比将温度采集点布置在电池上,然后将试验箱置于65℃高温箱内,静置10小时,采集温升数据,以获取该保温材料真实的保温绝热效果,并为后面绝热设计和数模仿真提供数据支持。

    实验完成后对实验数据进行了分析处理,并与单层绝热实验数据济宁了对比,如图3-3所示。

图3-3 单层绝热实验

图3-3 单层绝热实验

    实验结果分析:双层与单层的实验结果表明,在右图虚线所示位置,即电池置于高温环境下2小时左右时,两种状态下的温差最大,差约3℃左右,随着时间的增长,差异渐失,表明长时间置于高温环境下时,外面虽然多了一层保温膜,但效果比较差。

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    3.2 仿真研究

    因为电池系统的使用工况复杂,在进行绝热设计时,要同时对这些工况进行实验验证是不可行的,因此本课题在进行研究时,采取了与仿真结合使用的方式。

    简单的说,即是通过实验获取数据,作为边界条件进行仿真,比对实验和仿真结果进行对比,在吻合良好的前提下,可以说明仿真在材料热物性、热边界条件等设置是合理的,在这种前提下,对于多工况下的实验则可以通过仿真来进行,能够大量节省时间成本、经济成本和人力成本,并可消除物理测量无法避免的缺陷,如物理测量无法测量电池内部电芯位置的温度,但仿真是基于三维实物的真实物理系统的还原仿真,因此能够获得电池任何位置的温度,这很比传统的物理测量要有很大优势。

    基于三维真实系统的三维模型如图3-4所示。

图3-4 仿真三维数模

图3-4 仿真三维数模

图3-5 温度场分布

 
图3-5 温度场分布

图3-6 温度变化曲线

 
图3-6 温度变化曲线

    结果说明:电池侧面与试验箱体贴紧工况下的仿真,结果如上图所示,温度变化与实际测试误差5%左右,实验与仿真的结果对比如图3-7所示。在允许的范围内,表明边界条件设置合理。

    因此以此为基础进行了不同电池颗数,不同接触面积的工况热模拟,大大缩短了实验时间和人力付出,仿真温度场分布见图3-8。

图3-7 实验与仿真结果对比

图3-7 实验与仿真结果对比

图3-8 多颗电池温度场分布

 
图3-8 多颗电池温度场分布

4 结论分析

    通过采用实验与方针对比的方式对电池绝热系统进行研究,能够得出以下的结论:

    1)通过仿真与实验的对比可以看出,侧面接触温升状况好于平铺时的温升,实际系统也是侧面与保温材料接触,1颗电池时,10个小时,电池温升54℃,仍然低于环境接近10℃,表明热接触面积是影响绝热系统最终效果的关键因素之一;

    2)箱体内放置三颗电池时,电池温度最高升至51℃,比一颗电池低了3℃,系统内温度低于环境温度接近15℃,实际系统的电池容积率仍然高于试验箱内电池容积率,因此实际系统的温升状况会好于实验箱系统;

    3)通过进一步优化绝热系统的设计,在环境温度65℃,电池温度25℃,温差达40℃的情况,系统置于环境温度中10小时,电池系统的温升目标是10℃~15℃。

    4)进行高温环境下充放电1次循环显示,带保温膜的试验箱内电池温度最高为62.7℃,不带保温膜的试验箱内电池温度最高为65.9℃,不带保温膜电池温度比带保温膜电池温度高3.2℃,表明保温膜在高温环境下使用时,能够起到绝热作用,但前提是电池系统没有经过长时间高温暴晒,电池温度低于环境温度情况下,如果电池温度在使用前已达到与环境温度相同,则充放电循环时,电池带保温膜温度要略高于不带保温膜电池温度。

5 推广应用

    通过计算机辅助工程分析系统,对电池系统进行有限元仿真应用,在指导设计、提高质量、降低开发成本和缩短开发周期上发挥着日益显著的作用。简单概括起来,锂电系统的有限元仿真技术可应用于系统刚度、强度分析(总成与零部件分析,以实现轻量化设计)、NVH分析(各种振动、噪声,包括摩擦噪声、风噪声等)、机构运动分析等;而碰撞模拟分析、金属板件冲压成型模拟分析、疲劳分析和空气动力学分析的精度还有很大提升的空间,但投入实际使用,完全可以用于定性分析和改进设计,大大减少了这些费用高、周期长的试验次数;另外还有焊装模拟分析、喷涂模拟分析等开始渐渐被应用和重视。

责任编辑:许小倩
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