電池包作為新能源汽車的主要儲(chǔ)能元件，直接影響電動(dòng)汽車的性能。電池包在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定熱量，使內(nèi)部溫度升高。若熱量來(lái)不及散出可能會(huì)出現(xiàn)漏液、放氣、冒煙等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)電池發(fā)生劇烈燃燒甚至爆炸。因此電池包的冷卻系統(tǒng)至關(guān)重要，本文以電池托盤為研究對(duì)象，底板集成循環(huán)液冷系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)單、高效的解決電池包散熱問(wèn)題。

設(shè)計(jì)參數(shù)確定

原始設(shè)計(jì)參數(shù)

此次設(shè)計(jì)以減重效果好、散熱效率高、連接密封性等多方面為出發(fā)點(diǎn)，從性能、工藝、成本、輕量化、熱交換、連接方式等多方面加以權(quán)衡，設(shè)計(jì)出一種新型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。此次設(shè)計(jì)的鋁合金電池托盤，材料為6063－T6、6005A－T6、6061－T6(表1)，主要連接方式為焊接，整體尺寸為12032．4mm×1533mm×140.5mm，整體重量為100kg。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、型材斷面設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的鋁合金電池托盤采用液冷方式進(jìn)行冷卻，底板設(shè)計(jì)時(shí)采用多腔型材，內(nèi)部腔體作為液流通道，為了增大液冷劑與電池托盤底板的接觸面積，在設(shè)計(jì)時(shí)，采用波浪形內(nèi)腔，型材斷面圖如圖1(a)所示。邊框型材在保證強(qiáng)度滿足使用要求的前提下，采用多腔結(jié)構(gòu)型材進(jìn)行整體減重，其斷面如圖1(b)(c)所示。中間橫梁僅作為型材內(nèi)部分隔模組的作用，該結(jié)構(gòu)采用多腔開(kāi)口型材，其斷面如圖1(d)所示。

2、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金液冷電池托盤前后邊框、左右邊框分別采用同一斷面，有效節(jié)省型材模具開(kāi)發(fā)費(fèi)用。底板采用多腔波浪形型材，除減輕電池托盤整體重量外、還可提高液冷劑與底板的接觸面積，提升液冷效果。間橫梁采用空腔型材，同時(shí)與套筒配合，一方面分隔模組，另一方面用于電池托盤蓋板安裝使用。進(jìn)出水口與套筒均由為鋁塊機(jī)加而成。

邊框與底板焊接，間橫梁與底板、底板端部與密封板、底板與進(jìn)出水口、進(jìn)出水口與左右邊框均采用激光焊焊接工藝，熱變形小，焊接質(zhì)量好，有效降低液冷劑泄露風(fēng)險(xiǎn)。鋁合金液冷電池托盤三維數(shù)模如圖2所示。

仿真模擬分析

電池包的機(jī)械安全性能主要包括承載性能、底部球擊、跌落、機(jī)械沖擊性能等。本文以GB/T31467.3－2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分:安全性要求與測(cè)試方法》為依據(jù)，以液冷鋁合金電池托盤為研究對(duì)象，進(jìn)行了承載能力、落、擠壓和底部球擊分析。

1、工況介紹

(1)承載工況。在動(dòng)力電池中，電池托盤占去了電池系統(tǒng)重量的20%～30%，實(shí)為主要結(jié)構(gòu)件。據(jù)此本文對(duì)電池托盤在360kg重量下沿重力向施加3G加速度施加沖擊載荷。已驗(yàn)證產(chǎn)品的承載性能。

(2)跌落工況。電池托盤從1m的高度處自由落體掉落到地面上。

(3)擠壓工況。用半徑75mm的圓柱擠壓電池包，擠壓力可達(dá)到100kN。

(4)底部球擊工況。直徑為150mm的球體沖擊電池托盤的薄弱點(diǎn)。要求殼體的抵抗力達(dá)到20kN時(shí)，其位移小于電池托盤最低位置至電池模組的距離。

2、結(jié)果分析

(1)承載能力分析。電池托盤在承重360kg情況下3G載荷的位移云圖如圖3(a)所示，可以看出最大位移為0．97mm。最大應(yīng)力出現(xiàn)在左右邊梁處，為119．8MPa，如圖3(b)所示，其余零部件的應(yīng)力均較小，且各個(gè)零部件的應(yīng)力都小于其屈服強(qiáng)度，滿足承載要求。

(2)跌落分析。電池托盤從1m的高度處自由落體掉落到地面上應(yīng)力云圖如圖4所示。

電池托盤從1m高度處自由落體掉落到地面上最大應(yīng)力240．5MPa，位置在中間橫梁上，小于其屈服強(qiáng)度;底板、前后邊梁、左右邊梁最大應(yīng)力分別為206.5MPa、203．7MPa、182．2MPa，均小于其屈服強(qiáng)度，滿足跌落要求。

(3)擠壓分析。橫向擠壓，電池托盤在擠壓過(guò)程中的擠壓力－位移曲線如圖5(a)所示，在整個(gè)擠壓過(guò)程中擠壓力在7．07mm時(shí)達(dá)到100kN，滿足法規(guī)要求(＞100kN)。縱向擠壓，電池包下殼體在擠壓過(guò)程中的擠壓力－位移曲線如圖5(b)所示，在整個(gè)擠壓過(guò)程中擠壓力在48．87mm時(shí)達(dá)到100kN，滿足法規(guī)要求(＞100kN)。

(4)底部球擊分析。底部球擊主要是評(píng)估電池包底部在汽車行駛過(guò)程中遭遇石頭沖擊而抵抗變形的能力。根據(jù)電池托盤底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定比較薄弱的位置進(jìn)行仿真分析，各個(gè)薄弱點(diǎn)力－位移曲線如圖6所示。球體沖擊電池托盤的各個(gè)薄弱點(diǎn)時(shí)，電池托盤的抵抗力都可達(dá)到20kN，在達(dá)到20kN時(shí)產(chǎn)生的最大位移為15．26mm。

由以上仿真模擬分析得知:(1)電池托盤在承重360kg情況3G載荷下，最大應(yīng)力都小于材料屈服強(qiáng)度，滿足承載能力要求。(2)電池托盤跌落時(shí)中間橫梁、底板和前后邊框的最大應(yīng)力分別為240．5MPa、206．5MPa、203．7MPa，均小于其材料的屈服強(qiáng)度，滿足跌落要求。(3)從兩個(gè)方向分別對(duì)電池包進(jìn)行擠壓，橫向擠壓和縱向擠壓滿足法規(guī)要求。(4)球體沖擊電池托盤的各個(gè)薄弱點(diǎn)時(shí)，球體的支反力達(dá)到20kN時(shí)，產(chǎn)生的最大位移為15．26mm。后期模組設(shè)計(jì)時(shí)，模組底端距離底板至少應(yīng)大于15．26mm才可消除電池托盤后期在實(shí)際服役過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。

總結(jié)

本文結(jié)合鋁合金自身質(zhì)量輕、耐沖擊等特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一款鋁合金液冷電池托盤，該產(chǎn)品采用液冷冷卻系統(tǒng)，底板設(shè)計(jì)采用波浪形腔體，液冷劑與底板腔體接觸面積增大，有效提高了冷卻效果;通過(guò)仿真分析可知，本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品滿足國(guó)標(biāo)要求，設(shè)計(jì)方案可行。