1  開發(fā)背景

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

汽車動力電池系統(tǒng)通常布置在車身底板下方,要經受較為嚴酷的安裝環(huán)境和惡劣的工作環(huán)境,電池殼體作為動力電池的載體,在動力電池安全工作和防護方面起著至關重要的作用?電池殼體不僅需要滿足耐振動強度?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部,在充放電過程中會產生大量的熱量,需要通過冷卻裝置及時冷卻散熱?冷卻裝置的冷卻方式分為風冷?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)境適應性?高溫高寒兼顧性?能耗等方面均優(yōu)于風冷和自然散熱?

目前用于動力電池系統(tǒng)的水冷裝置為單獨開發(fā)的冷卻管路,冷卻管路安裝有諸多的管件,接口多,零件多,存在裝配結構復雜?泄漏風險大等問題?為提高冷卻效果,管路多布置在電池殼體內部,如果密封失效發(fā)生泄漏,將直接導致動力電池系統(tǒng)短路,造成嚴重后果?此外,目前通用的鋼質電池殼體存在自重大?不利于輕量化?制作工藝復雜?加工成本高等問題?

2  設計方案

2.1  整體結構設計

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(見圖1)?

上殼體采用SMC材料模壓工藝制成,該材料流動性及成型性好,適用于電池上殼體的制造,上下殼體采用緊固件裝配,通過對密封墊的擠壓,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度達到300MPa,在保證了電池包結構安全性能的前提下,輕量化效果顯著?




2.2  集成水道底板的截面設計

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構,可以將上層底板?下層底板?立筋?隔板?加強立筋擠壓成型(見圖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構可在同等材料投入量的條件下提高強度,特別是在底部抗石擊性能方面有明顯提高?為進一步提高分底板的強度,在上層底板?下層底板之間還設有加強立筋,加強立筋與立筋平行,加強立筋的厚度為15~25mm,電池模組安裝孔穿過上層底板設置在加強立筋上?用這種方式安裝電池模組,可以減少跌落試驗時電池包的變形量,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個側壁,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?上述結構可以提高冷卻效果,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?進水通路和出水通路在對應各分支流道的位置設有通流孔?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)的獨立的液冷板相比,其可以簡化結構?工序,降低制作成本,最大限度地利用材料?

2.3  冷卻水路的設計

冷卻水路的設計如圖3和圖4所示,兩側長度方向的框架內分別設有進水通路和出水通路?在進水通路的首端設有進水嘴,進水通路的另一端封閉;在出水通路的末端設有出水嘴,進水通路的另一端封閉;進水嘴?出水嘴位于底板的同側?集成水道底板內部的數(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,首先冷卻液通過進水嘴進入進水通路,通過分底板的孔位進入到集成水道底板內部的水道中,從分底板另一側孔位進入到出水通路中,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→導熱墊→下箱體→冷卻液,通過冷卻液的循環(huán)對模組進行冷卻或者加熱?



選取典型評價工況———夏季快充工況來評估集成式水冷系統(tǒng)的冷卻效果?流動邊界設定見表1?



模組類型為355模組-軟包,模組例圖如圖6所示,模組的產熱邊界設定見表2?評估模組在1C快充的工況下通過集成水冷系統(tǒng)熱管理的效果?



計算結束后觀察整包的溫度場分布(見圖7),溫度梯度合理;對模組進行等高度切面溫度分析(見圖8),最高溫度為37.5℃,溫差控制在5℃以內,滿足高溫熱管理的要求?



4  結語

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,在鋁合金型材內部集成冷卻水道,提高了整體電池包的材料利用率,減少了單獨冷卻系統(tǒng)的開發(fā)及制造,簡化了冷卻系統(tǒng)生產裝配工序,從而降低了電池殼的生產成本?

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

該電池下殼體采用鋁合金型材方案,對車身輕量化有明顯作用,從重量來看,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)達到60Hz以上,模態(tài)較傳統(tǒng)鋼制電池殼體上升明顯?