1  開(kāi)發(fā)背景

新能源汽車的動(dòng)力電池系統(tǒng)主要由電池模組?電池殼體及管路和電路組成?動(dòng)力電池系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件,它的安全性?可靠性和耐久性至關(guān)重要,決定著整車的性能?

汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)通常布置在車身底板下方,要經(jīng)受較為嚴(yán)酷的安裝環(huán)境和惡劣的工作環(huán)境,電池殼體作為動(dòng)力電池的載體,在動(dòng)力電池安全工作和防護(hù)方面起著至關(guān)重要的作用?電池殼體不僅需要滿足耐振動(dòng)強(qiáng)度?耐沖擊?碰撞安全?密封?抗石擊?輕量化等方面的性能要求,還要有良好的冷卻性能?

電池模組安裝在電池殼體內(nèi)部,在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,需要通過(guò)冷卻裝置及時(shí)冷卻散熱?冷卻裝置的冷卻方式分為風(fēng)冷?水冷和自然散熱?水冷方式在散熱效率?溫度均勻性?安裝環(huán)境適應(yīng)性?高溫高寒兼顧性?能耗等方面均優(yōu)于風(fēng)冷和自然散熱?

目前用于動(dòng)力電池系統(tǒng)的水冷裝置為單獨(dú)開(kāi)發(fā)的冷卻管路,冷卻管路安裝有諸多的管件,接口多,零件多,存在裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜?泄漏風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題?為提高冷卻效果,管路多布置在電池殼體內(nèi)部,如果密封失效發(fā)生泄漏,將直接導(dǎo)致動(dòng)力電池系統(tǒng)短路,造成嚴(yán)重后果?此外,目前通用的鋼質(zhì)電池殼體存在自重大?不利于輕量化?制作工藝復(fù)雜?加工成本高等問(wèn)題?

2  設(shè)計(jì)方案

2.1  整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該鋁合金電池殼將水冷系統(tǒng)集成在電池殼底部型材上,主要由集成液冷的下殼體?密封材料?電池模組及電器元件?上殼體等4部分組成(見(jiàn)圖1)?

上殼體采用SMC材料模壓工藝制成,該材料流動(dòng)性及成型性好,適用于電池上殼體的制造,上下殼體采用緊固件裝配,通過(guò)對(duì)密封墊的擠壓,保證電池殼體良好的密封性?

下殼體包括底板和框架,底板和框架都是采用擠壓成型的6系鋁合金型材制備?6系鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到300MPa,在保證了電池包結(jié)構(gòu)安全性能的前提下,輕量化效果顯著?




2.2  集成水道底板的截面設(shè)計(jì)

集成水道底板由4塊分底板擠出型材攪拌摩擦焊接而成?單個(gè)分底板采用鋁合金擠出型材制備?分底板擠出截面為矩形雙層結(jié)構(gòu),可以將上層底板?下層底板?立筋?隔板?加強(qiáng)立筋擠壓成型(見(jiàn)圖2)?



分底板總厚度為12~18mm,其中,上層底板厚度為2~3mm,下層底板厚度為2~3mm,立筋厚度為2~3mm?分底板的這種雙層結(jié)構(gòu)可在同等材料投入量的條件下提高強(qiáng)度,特別是在底部抗石擊性能方面有明顯提高?為進(jìn)一步提高分底板的強(qiáng)度,在上層底板?下層底板之間還設(shè)有加強(qiáng)立筋,加強(qiáng)立筋與立筋平行,加強(qiáng)立筋的厚度為15~25mm,電池模組安裝孔穿過(guò)上層底板設(shè)置在加強(qiáng)立筋上?用這種方式安裝電池模組,可以減少跌落試驗(yàn)時(shí)電池包的變形量,提高整體電池包的安全性能?

冷卻水流道采用扁平的矩形截面,以提高冷卻面積?各條冷卻水流道以2條相鄰的立筋為2個(gè)側(cè)壁,其底壁位于水道橫隔板上表面,上層底板即為冷卻水流道的頂板?上述結(jié)構(gòu)可以提高冷卻效果,充分冷卻與底板接觸的電池模組?為使流過(guò)冷卻水流道的冷卻水分布均勻,提高冷卻效果,各冷卻水流道包括3條分支流道,相鄰分支流道之間由水道豎隔板分隔?進(jìn)水通路和出水通路在對(duì)應(yīng)各分支流道的位置設(shè)有通流孔?冷卻水流道的凈寬度為40~50mm,冷卻水流道的凈高度為4~5mm,相鄰冷卻水流道的間距為80~120mm?與傳統(tǒng)的獨(dú)立的液冷板相比,其可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)?工序,降低制作成本,最大限度地利用材料?

2.3  冷卻水路的設(shè)計(jì)

冷卻水路的設(shè)計(jì)如圖3和圖4所示,兩側(cè)長(zhǎng)度方向的框架內(nèi)分別設(shè)有進(jìn)水通路和出水通路?在進(jìn)水通路的首端設(shè)有進(jìn)水嘴,進(jìn)水通路的另一端封閉;在出水通路的末端設(shè)有出水嘴,進(jìn)水通路的另一端封閉;進(jìn)水嘴?出水嘴位于底板的同側(cè)?集成水道底板內(nèi)部的數(shù)條冷卻水流道與其寬度方向平行,均勻分布在集成水道底板上?








冷卻液流向如圖3中箭頭所示,首先冷卻液通過(guò)進(jìn)水嘴進(jìn)入進(jìn)水通路,通過(guò)分底板的孔位進(jìn)入到集成水道底板內(nèi)部的水道中,從分底板另一側(cè)孔位進(jìn)入到出水通路中,最后從另一端出水嘴引出,形成一套冷卻水流道?

3  熱管理仿真分析

建立完整的熱管理仿真模型(見(jiàn)圖5),主要包含下箱體?模組?控制模塊和冷卻水道,傳熱路徑為:模組→導(dǎo)熱墊→下箱體→冷卻液,通過(guò)冷卻液的循環(huán)對(duì)模組進(jìn)行冷卻或者加熱?



選取典型評(píng)價(jià)工況———夏季快充工況來(lái)評(píng)估集成式水冷系統(tǒng)的冷卻效果?流動(dòng)邊界設(shè)定見(jiàn)表1?



模組類型為355模組-軟包,模組例圖如圖6所示,模組的產(chǎn)熱邊界設(shè)定見(jiàn)表2?評(píng)估模組在1C快充的工況下通過(guò)集成水冷系統(tǒng)熱管理的效果?



計(jì)算結(jié)束后觀察整包的溫度場(chǎng)分布(見(jiàn)圖7),溫度梯度合理;對(duì)模組進(jìn)行等高度切面溫度分析(見(jiàn)圖8),最高溫度為37.5℃,溫差控制在5℃以內(nèi),滿足高溫?zé)峁芾淼囊?



4  結(jié)語(yǔ)

本文所述的集成液冷的電池殼體,利用鋁合金擠出型材的斷面定型的優(yōu)勢(shì),在鋁合金型材內(nèi)部集成冷卻水道,提高了整體電池包的材料利用率,減少了單獨(dú)冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及制造,簡(jiǎn)化了冷卻系統(tǒng)生產(chǎn)裝配工序,從而降低了電池殼的生產(chǎn)成本?

該電池下殼體的冷卻流道布置在電池殼密封面的外側(cè),減少了由于傳統(tǒng)電池殼體內(nèi)部冷卻管路發(fā)生漏水問(wèn)題導(dǎo)致模組短路等風(fēng)險(xiǎn)?

該電池下殼體采用鋁合金型材方案,對(duì)車身輕量化有明顯作用,從重量來(lái)看,相比鋼制電池殼體重量減輕了40%以上,大大提高了新能源汽車的續(xù)航里程?從仿真分析上看,該電池下殼體一階模態(tài)達(dá)到60Hz以上,模態(tài)較傳統(tǒng)鋼制電池殼體上升明顯?