車(chē)用電池箱液冷系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

趙文娟，吳雙群，趙丹平，陳洋，馮強(qiáng)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

車(chē)用電池箱液冷系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

趙文娟，吳雙群，趙丹平，陳洋，馮強(qiáng)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

電池包的熱管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力安全有效行駛過(guò)程中必不可少的輔助系統(tǒng)。本文分析電池工作環(huán)境，總結(jié)了其設(shè)計(jì)要求，以某新能源科技有限公司生產(chǎn)的高性能鎳氫動(dòng)力電容電池-NMCH300S為例，運(yùn)用三維建模軟件設(shè)計(jì)出了電池包的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并利用有限元ANSYS軟件計(jì)算出危險(xiǎn)點(diǎn)位置，用第四強(qiáng)度理論校核了最危險(xiǎn)點(diǎn)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，使仿真設(shè)計(jì)起到減少試加工成本的作用。

電動(dòng)汽車(chē)；電池包；機(jī)械結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度校核

CLC NO.:U463.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-70-04

引言

電池作為電動(dòng)汽車(chē)上裝載有電池組的主要儲(chǔ)能裝置，是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件[1-2]。電池液冷系統(tǒng)是電池包熱管理的一個(gè)核心的機(jī)械部分，其良好的設(shè)計(jì)理念對(duì)整個(gè)系統(tǒng)乃至整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展都有實(shí)質(zhì)性的突破。優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案不僅能提高電池包的散熱效率，減輕汽車(chē)的重量，還能更好的保證電動(dòng)汽車(chē)的安全性和使用壽命。動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，散熱、加熱高效均勻，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單簡(jiǎn)潔，價(jià)格適中且實(shí)用的電池液冷系統(tǒng)不僅為電動(dòng)汽車(chē)電池組提供一個(gè)安全穩(wěn)定的工作環(huán)境，還可以降低電動(dòng)汽車(chē)的成本，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化，市場(chǎng)化發(fā)揮重大的作用。

1、電池包設(shè)計(jì)流程

1.1 設(shè)計(jì)要求

以某新能源科技有限公司生產(chǎn)的高性能鎳氫動(dòng)力電容電池-NMCH300S為例。為達(dá)到對(duì)電池進(jìn)行能量管理的目的，該箱應(yīng)具備一定的條件和要求:1）電池箱體必須是密封的。2）電池箱體的形狀與單體電池模塊的形狀相適應(yīng)。3）電池箱體應(yīng)能保證冷卻液體與電池的絕緣，車(chē)身與箱體絕緣，防止存在電池與外界接觸可能性而存在安全隱患。4）將電池單體整合后其質(zhì)量很大，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核5）單體電池的通氣孔保證在電池液面上方，保證電池工作過(guò)程中正常的換氣。6）讓更多冷卻液接觸電池表面。

綜上所述，箱體零件在一臺(tái)機(jī)器中占有很大的比例，同時(shí)在很大程度上影響著機(jī)器的裝配精度和抗振性能等。正確的選擇箱體零件的材料和正確設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)形式及尺寸，是減小機(jī)器質(zhì)量、節(jié)約金屬材料、增強(qiáng)機(jī)器剛度的重要途徑。

1.2 設(shè)計(jì)流程

電池包相關(guān)的參數(shù)確定之后，根據(jù)電池的形狀、性能參數(shù)、車(chē)身的空間布置等來(lái)確定電池包的結(jié)構(gòu)形狀和冷卻形式。除了滿足上述功能性的參數(shù)后，還需從箱體工作性質(zhì)校核箱體的剛度、強(qiáng)度，設(shè)計(jì)其制造精度。設(shè)計(jì)流程如圖1所示:

1.3 參數(shù)確定

動(dòng)力電池的選型需要綜合考慮電動(dòng)車(chē)的整車(chē)性能和動(dòng)力系統(tǒng)的匹配。本論文采用的是某新能源科技有限公司生產(chǎn)的高性能鎳氫動(dòng)力電容電池-NMCH300S。該電池的性能參數(shù)如下表1所示:

表1 電池性能參數(shù)

鎳氫電池組的參數(shù)如表2所示:

表2 鎳氫電池組的參數(shù)

2、箱體設(shè)計(jì)和校核

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，知道電池箱體的重要性，所以本文重點(diǎn)對(duì)箱體進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核。

2.1 箱體設(shè)計(jì)

（1）材料選取。由于電池包處在的工作環(huán)境非常復(fù)雜。電池的質(zhì)量決定了電池包的強(qiáng)度和剛度足夠大；車(chē)輛在行駛過(guò)程中出現(xiàn)加速減速轉(zhuǎn)彎等，電池包具備一定的沖擊能力和耐疲勞特性；此系統(tǒng)采用的液冷形式，需與絕緣冷卻液接觸，材料還需抗腐蝕能力；電池箱體在制造的過(guò)程中，制造工藝上還需具有良好的焊接性能；考慮到車(chē)輛的整體質(zhì)量和成本，經(jīng)濟(jì)性的情況下盡可能減輕箱體的質(zhì)量。

比較各種材料的特性和用途，采用硬鋁合金2A12（原LY12），其切削加工性能在失效狀態(tài)下良好，耐腐蝕性中等，焊接性能好，適宜做高載荷零件和構(gòu)件[3]。因此，此材料是不錯(cuò)的選擇。

（2）電池包結(jié)構(gòu)形狀。箱體常采用的截面形狀有多種。綜合考率到箱體的重量、制作成本，采用矩形截面的鋁板。

1）壁厚。首先，采用經(jīng)驗(yàn)法或類(lèi)比法確定壁厚和其他結(jié)構(gòu)的尺寸，再用有限元法（ANYSIS）計(jì)算強(qiáng)度和剛度，經(jīng)過(guò)不斷的修正，獲得合理的尺寸。初步選取厚度為5mm。目的是保證箱體的質(zhì)量和強(qiáng)度的情況下進(jìn)行優(yōu)化。

2）加強(qiáng)肋。加強(qiáng)肋可改善箱體的剛度，同時(shí)還起到了液流密封的作用。在箱體的四個(gè)角上，其強(qiáng)度要求高，受力工況復(fù)雜，并且此處采用的焊接工藝，無(wú)法保證足夠的強(qiáng)度，因此設(shè)計(jì)初加上加強(qiáng)筋。在電池箱體增加的冷卻液加熱箱，為了能夠承受電池箱體的重量，同樣在加熱箱的周?chē)贾靡欢〝?shù)量的加強(qiáng)肋板，以增強(qiáng)其承受能力。

3）電池定位。單體電池定位及安裝不僅設(shè)計(jì)單體電池模塊的更換機(jī)維護(hù)，而且設(shè)計(jì)到整個(gè)電池組的安全運(yùn)行?？紤]到電池箱體在制造、安裝、聯(lián)接以及定位和液流走向等因數(shù)。設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮將30塊單體電池分成3列，每列安裝10塊單體電池，將其水平緊湊的鑲嵌在電池箱體底座內(nèi)，電池上部通過(guò)固定特制的框架將電池的四周限制，然后用螺栓將框架與電池箱體固定。從而確保電池單體各個(gè)方向的固定。電池箱體的剖面圖如圖2所示。

4）焊接。由金屬材料的性質(zhì)，采用不熔電極氬弧焊，由于有氣體的保護(hù)作用，使熱量集中，熔池小，焊速快，熱影響區(qū)較窄，焊接變形小，電弧穩(wěn)定，飛濺少焊縫致密，表面無(wú)熔渣、美觀。生產(chǎn)效率高，焊接費(fèi)用中等水平，適用于硬鋁合金的焊接能保證箱體在復(fù)雜載荷條件下工作。

（3）電池包三維設(shè)計(jì)

以上箱體設(shè)計(jì)造型過(guò)程中無(wú)法對(duì)箱體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行詳盡計(jì)算分析，因此常采用安全系數(shù)偏大的，導(dǎo)致箱體體積和質(zhì)量過(guò)大，既增大制造成本，還增加車(chē)身的重量。本文電池箱體采用Pro/E三維造型，將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析，對(duì)模型進(jìn)行校核。

通過(guò)設(shè)計(jì)的電池包的整體裝配模型如圖3。

2.2 強(qiáng)度校核

（1）模型和有限元分析

將Pro/E設(shè)計(jì)成的電池箱體的IGS模型導(dǎo)入ANSYS的結(jié)構(gòu)靜力分析模塊中，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（由于模型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單），采用的計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格功能，由此生成節(jié)點(diǎn)和單元。其中網(wǎng)格類(lèi)型為六面體20節(jié)點(diǎn)Solid186單元，生成的網(wǎng)格如圖4所示。

施加載荷:根據(jù)箱體的工作性質(zhì)和環(huán)境，由于采用的液冷形式，箱體除了在電池重量作用的面載荷外，還需承受冷卻液的載荷和沖擊載荷。

由電池參數(shù)值知單體電池的質(zhì)量為6.4Kg，其底面積為為120*60mm2，電池箱體電池槽中的壓力為:P=F/A= 8711.1Pa=0.0087MPa

電池箱體中除了電池壓力外，還有電池冷卻液對(duì)箱體的壓強(qiáng)。有液體壓強(qiáng)知識(shí)可知:

液流在箱體中的液流壓力為:取冷卻液泵的揚(yáng)程為6m，由此可算得壓力為0.06MPa。

經(jīng)過(guò)上述的靜力學(xué)分析，對(duì)箱體加載的形式和作用平面如下所述:

箱體外底面施加全約束；箱體一側(cè)（748*280）施加載荷；箱體壁的其余三面則施加；箱體內(nèi)地面施加兩個(gè)載荷（電池對(duì)箱體的載荷P和冷卻液體對(duì)箱體底部的壓力）。

將上述壓力同時(shí)加載在箱體上，通過(guò)ANSYS結(jié)構(gòu)新型靜力分析，可得到加載后的位移云圖（如圖5）和應(yīng)力云圖。箱體主要的位移發(fā)生在箱體的四壁面的上部，并且位移值不是很明顯，最大的位移只有7.12561mm?；旧喜挥绊懴潴w結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖6可知，箱體的絕大多數(shù)的應(yīng)力還是比較小，最大的應(yīng)力224.721MPa，并且應(yīng)力主要集中在在箱體壁的四個(gè)焊接處、箱體壁的窄邊以及導(dǎo)流塊的根部。

通過(guò)ANSYS的計(jì)算結(jié)果顯示，其危險(xiǎn)點(diǎn)在207號(hào)節(jié)點(diǎn)上，其應(yīng)力值如表5-1所示。

表3 箱體危險(xiǎn)點(diǎn)最大應(yīng)力值

其中S1表示第一主應(yīng)力；S2表示第二主應(yīng)力； S3 表示第三主應(yīng)力；SINT表示應(yīng)力強(qiáng)度； SEQV表示等效應(yīng)力

（2）強(qiáng)度校核

根據(jù)材料屬于塑性材料，引起塑性變形失效，采用畸變能密度理論（第四強(qiáng)度理論）校核--無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度達(dá)到材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值，材料就發(fā)生屈服。

畸變能密度屈服準(zhǔn)則:

按第四強(qiáng)度理論的得到的強(qiáng)度條件[4]:

有上述公式和數(shù)據(jù)代入可知:

由此可以判斷箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件，箱體設(shè)計(jì)方案可行。

3、其他設(shè)備

電池液冷系統(tǒng)主要有電池包（箱）、微型控制器、溫度傳感器、冷卻水泵、散熱風(fēng)扇、散熱器、冷卻液管道、電控三通閥、不燃冷卻絕緣液等部件組成。其冷卻液線路如圖7所示:

溫度傳感器作為液冷系統(tǒng)的的采集的溫度信號(hào)傳送給微型控制器，控制器對(duì)信號(hào)處理后發(fā)出一個(gè)執(zhí)行命令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)（冷卻液泵、三通閥、加熱裝置）接受指令后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

4、結(jié)論

此文對(duì)電池液冷系統(tǒng)中電池包部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出液冷電池包的結(jié)構(gòu)形狀，并且繪制出機(jī)械工程圖。同時(shí)，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS分析箱體在線性靜載荷和附加的模擬動(dòng)態(tài)載荷的極限綜合作用下箱體應(yīng)力的分布強(qiáng)度并分析應(yīng)力圖，運(yùn)用第四強(qiáng)度理論（畸變形強(qiáng)度理論）校核箱體最大應(yīng)力點(diǎn)處的強(qiáng)度要求，從而說(shuō)明設(shè)計(jì)符合要求，從而一定程度上解決純電動(dòng)車(chē)用鎳氫電池使用過(guò)程中溫度過(guò)高或過(guò)低，以及電池模塊溫差大，影響電池的充放電性能和使用壽命等難題。

[1] 陳全世，齊占寧.燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)難關(guān)和發(fā)展前景[J]汽車(chē)工程，2001，23（6）362-363.

[2] 林成濤，陳全世 .燃料電池客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析[J]公路交通科技，2003，20（5）134-135.

[3] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社2010.

[4] 劉鴻文.材料力學(xué)(第4版) 高等教育出版社 2006.

Simulation design for the cooling system of car battery pack

Zhao Wenjuan, Wu Shuangqun, Zhao Danping, Chen Yang, Feng Qiang
( Inner Mongolia University of Technology, Inner Mongolia Hohhot 010051 )

Thermal Manage System of battery pack in electric vehicle or hybrid electric vehicle is necessary to operate effectively at the all climatic conditions. The paper analyzes the battery working environment and summarizes the design requirements. We take the Nickel-hydrogen capacitance battery-NMCH300S which is the high performance product of a new Energy Technology Co.,Ltd for example, a mechanical structure of battery pack was designed by using three-dimensional modeling software and the danger point was calculated by using the finite ANSYS software, then it was corrected by the fourth strength theory to meet the design requirements which could reduce the processing cost.

Electric Vehicles; Battery pack; Mechanical structure; Strength Check

U463.6

A

1671-7988(2015)07-70-04

趙文娟，就讀于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，在讀學(xué)術(shù)型碩士，研究方向?yàn)槠?chē)節(jié)能技術(shù)。