趙文娟，吳雙群，趙丹平，陳洋，馮強

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

車用電池箱液冷系統(tǒng)仿真設(shè)計

趙文娟，吳雙群，趙丹平，陳洋，馮強

（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)是電動汽車和混合動力安全有效行駛過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)計要求，以某新能源科技有限公司生產(chǎn)的高性能鎳氫動力電容電池-NMCH300S為例，運用三維建模軟件設(shè)計出了電池包的機械結(jié)構(gòu)，并利用有限元ANSYS軟件計算出危險點位置，用第四強度理論校核了最危險點強度滿足設(shè)計要求，使仿真設(shè)計起到減少試加工成本的作用。

電動汽車；電池包；機械結(jié)構(gòu)；強度校核

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

引言

電池作為電動汽車上裝載有電池組的主要儲能裝置，是電動汽車的關(guān)鍵部件[1-2]。電池液冷系統(tǒng)是電池包熱管理的一個核心的機械部分，其良好的設(shè)計理念對整個系統(tǒng)乃至整個電動汽車的發(fā)展都有實質(zhì)性的突破。優(yōu)秀的設(shè)計方案不僅能提高電池包的散熱效率，減輕汽車的重量，還能更好的保證電動汽車的安全性和使用壽命。動力電池液冷系統(tǒng)是電動汽車電池管理系統(tǒng)的一個重要組成部分，散熱、加熱高效均勻，結(jié)構(gòu)簡單簡潔，價格適中且實用的電池液冷系統(tǒng)不僅為電動汽車電池組提供一個安全穩(wěn)定的工作環(huán)境，還可以降低電動汽車的成本，對電動汽車的產(chǎn)業(yè)化，市場化發(fā)揮重大的作用。

1、電池包設(shè)計流程

1.1 設(shè)計要求

以某新能源科技有限公司生產(chǎn)的高性能鎳氫動力電容電池-NMCH300S為例。為達到對電池進行能量管理的目的，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，必須進行強度校核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，箱體零件在一臺機器中占有很大的比例，同時在很大程度上影響著機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)計其結(jié)構(gòu)形式及尺寸，是減小機器質(zhì)量、節(jié)約金屬材料、增強機器剛度的重要途徑。

1.2 設(shè)計流程

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)、車身的空間布置等來確定電池包的結(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、強度，設(shè)計其制造精度。設(shè)計流程如圖1所示:

1.3 參數(shù)確定

動力電池的選型需要綜合考慮電動車的整車性能和動力系統(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)計和校核

根據(jù)設(shè)計要求，知道電池箱體的重要性，所以本文重點對箱體進行了設(shè)計和校核。

2.1 箱體設(shè)計

（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度和剛度足夠大；車輛在行駛過程中出現(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程中，制造工藝上還需具有良好的焊接性能；考慮到車輛的整體質(zhì)量和成本，經(jīng)濟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)驗法或類比法確定壁厚和其他結(jié)構(gòu)的尺寸，再用有限元法（ANYSIS）計算強度和剛度，經(jīng)過不斷的修正，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)量和強度的情況下進行優(yōu)化。

2）加強肋。加強肋可改善箱體的剛度，同時還起到了液流密封的作用。在箱體的四個角上，其強度要求高，受力工況復(fù)雜，并且此處采用的焊接工藝，無法保證足夠的強度，因此設(shè)計初加上加強筋。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，同樣在加熱箱的周圍布置一定數(shù)量的加強肋板，以增強其承受能力。

3）電池定位。單體電池定位及安裝不僅設(shè)計單體電池模塊的更換機維護，而且設(shè)計到整個電池組的安全運行?？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)計過程中考慮將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，表面無熔渣、美觀。生產(chǎn)效率高，焊接費用中等水平，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

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

通過設(shè)計的電池包的整體裝配模型如圖3。

2.2 強度校核

（1）模型和有限元分析

將Pro/E設(shè)計成的電池箱體的IGS模型導(dǎo)入ANSYS的結(jié)構(gòu)靜力分析模塊中，對模型進行網(wǎng)格劃分（由于模型結(jié)構(gòu)比較簡單），采用的計算機自動生成有限元網(wǎng)格功能，由此生成節(jié)點和單元。其中網(wǎng)格類型為六面體20節(jié)點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，還有電池冷卻液對箱體的壓強。有液體壓強知識可知:

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

經(jīng)過上述的靜力學(xué)分析，對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)地面施加兩個載荷（電池對箱體的載荷P和冷卻液體對箱體底部的壓力）。

將上述壓力同時加載在箱體上，通過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焊接處、箱體壁的窄邊以及導(dǎo)流塊的根部。

通過ANSYS的計算結(jié)果顯示，其危險點在207號節(jié)點上，其應(yīng)力值如表5-1所示。

表3 箱體危險點最大應(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)力強度； SEQV表示等效應(yīng)力

（2）強度校核

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（第四強度理論）校核--無論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度達到材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值，材料就發(fā)生屈服。

畸變能密度屈服準則:

按第四強度理論的得到的強度條件[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)強度滿足第四強度理論的強度條件，箱體設(shè)計方案可行。

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傳送給微型控制器，控制器對信號處理后發(fā)出一個執(zhí)行命令，執(zhí)行機構(gòu)（冷卻液泵、三通閥、加熱裝置）接受指令后執(zhí)行相應(yīng)的動作。

4、結(jié)論

此文對電池液冷系統(tǒng)中電池包部分的設(shè)計進行優(yōu)化，設(shè)計出液冷電池包的結(jié)構(gòu)形狀，并且繪制出機械工程圖。同時，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態(tài)載荷的極限綜合作用下箱體應(yīng)力的分布強度并分析應(yīng)力圖，運用第四強度理論（畸變形強度理論）校核箱體最大應(yīng)力點處的強度要求，從而說明設(shè)計符合要求，從而一定程度上解決純電動車用鎳氫電池使用過程中溫度過高或過低，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.燃料電池電動汽車的技術(shù)難關(guān)和發(fā)展前景[J]汽車工程，2001，23（6）362-363.

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

[3] 吳宗澤.機械設(shè)計實用手冊[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)能源與動力工程學(xué)院，在讀學(xué)術(shù)型碩士，研究方向為汽車節(jié)能技術(shù)。