3.5T纯电小卡轻量化液冷动力电池包的设计与仿真_于伟.pdf

第 卷第期 年月 电池工业 ：纯电小卡轻量化液冷动力电池包的设计与仿真于伟，王迎波，周广钊，张娜娜，刘静，高昊升（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 ）摘要：动力电池包是电动汽车的核心部件，传统的自然冷却、风冷已经不能满足整车动力性能不断提升带来的散热需要，液冷动力电池包逐渐成为主机厂的主要选择。传统的液冷电池包存在能量密度低、冷却液易泄漏、电池箱体结构复杂、成本高等问题。设计开发高性能的液冷动力电池包，提高能量密度与集成效率，是亟须解决的市场问题，同时能量密度与集成效率也是衡量动力电池包轻量化水平的关键指标。通过运用底盘承载式液冷箱体潍柴新能源专利技术，结合钢铝混合结构、电池箱密封结构以及 结构设计与仿真，实现磷酸铁锂液冷电池包能量密度 、集成效率，达到行业一流水平。关键词：钢铝混合；液冷电池包；轻量化；电池下箱体中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；引用格式：于伟，王迎波，周广钊，等 纯电小卡轻量化液冷动力电池包的设计与仿真 电池工业，（）：，（）：前言动力电池包是纯电动汽车重要组成部件，主要由电池下箱体、电池上盖、电池模组及电池管理系统（，）等零部件组成。动力电池包设计主要从安全性、热管理需求、经济性等方面进行考虑。汽车在行驶过程中会经受颠簸、急转弯、紧急制动、路面激励等复杂工况，外部冲击和振动会通过车身传导至电池包，造成电池包箱体变形和应力集中，从而引起动力电池包失效。电池包在充放电过程中，内部还会产生大量热量，散热不及时会引起电芯温度升高，不但容易造成电池包性能的衰退，还会有安全隐患。电池包质量一般占整车质量的 。对纯电 动 汽 车 而 言，整 车 质 量 每 下 降，可 减 少 的电能损耗，增加的续驶里程。因此，动力电池包在满足轻量化要求的同时必须具有较高的强度、抗振动性以及满足整车热管理的要求。针对某车型液冷动力电池包能量密度 、集成效率 的开发需求展开设计，电池包采用底板承载式电池下箱体以及钢铝混合结构，并运用有限元方法建立电池包离散化模型，然后根据行驶工况进行计算机辅助（，）仿真分析，最终结果满足设计要求。液冷动力电池包设计该车型按照客户工况需求，选用方形磷酸铁锂电芯，系统额定电压 ，额定容量 ，额定电量 ，系统成组 ，采用双电池包布置方案，单个电池包 ，由个 模组组成。电池包下箱体设计使用潍柴新能源动力科技有限公司（简称潍柴新能源）一种液冷板及动力电池专利技术，如图所示，为底盘承载式结构，材料为铝镁硅高强度合金，集成液冷功能，采用挤压机一体成型，具有自重轻、结构强度高、流场压降小、加工工艺性好、无冷却液泄漏风险的特点。冷却液流道位于电池包外侧，可以有效避免因冷却液泄漏造成电池内部短路的风险。同时，在发生碰撞、挤压等极端情况下，冷却液也不会流入电池包内部。为了增强电池包的安全性，需要采取措施确保电池包不发生热失控。电池包密封结构设计使用潍柴新能源 电池箱、图液冷电池下箱体 动力电池及车辆 专利技术，如图所示，前面板支架安装有高低压连接器，通过螺栓固定在电池下箱体上。电池上盖通过密封圈分别与前面板及电池下箱体连接密封，上盖与电池下箱体中间形成的内部包络空间可放置电池模组，电池模组通过螺栓固定在电池下箱体上。整体电池包结构紧凑，重量较传统方案更轻。图液冷电池包 考虑电池系统维护便利性及能量密度要求，电池系统设计采用无模组技术（，）将电池集成到系统方案中，使用高强度不锈钢捆扎及铝镁合金铸铝端板，电压、温度采集采用集成母排线束板集成件（，）方案。由柔性印刷线路板（，）、塑胶结构件、汇流排等组成，汇流排通过激光焊接将多个电芯进行串并联，通过与汇流排、塑胶结构件连接，构成电气连接与信号检测结构部件。这种设计可简化模组组装工序，便于自动化生产。电池系统关键技术参数如表所示。结构仿真电池包的结构仿真是利用有限元软件对电池包结构强度和可靠性进行验证分析，通过计算机模型将物理实验虚拟化，实现实际工况的近似模拟。规划合理的有限元模型可以极大缩减产品开发流程，节省开电池工业 第 卷表电池系统关键技术参数 编号项目参数标称电压 容量 电量 系统方案 最大持续放电电流 最大持续充电电流 快充热管理液冷加热膜防护等级 发时间，降低产品成本，合理的材料本构模型、网格划分、连接以及激励载荷和构件之间力传递方式，可以提供精确的有限元模型。目前常用的电池包结构仿真主要包括模态分析、静强度分析、随机振动分析和挤压分析。模态分析通过模态分析可以避免因设计缺陷导致的系统共振，以免产生过大的噪声和振动。对电池包模态分析得到其模态频率和振型，要求电池包一阶模态频率低于路面激励频率。路面激励频率主要与车速和路面状况相关，按照式（）计算，路面激励在 左右。.（）式中：为 路 面 激 励 频 率，；为 整 车 速 度，；为路面不平度波长，平坦路面波长在，搓板路波长在 ，碎石路波长在 。电池包的前六阶约束模态频率如表所示，振型如图所示。表电池包约束模态及振型 阶数模态 振型 箱盖竖直方向一阶弯曲 箱盖竖直方向二阶弯曲 支架摆动 箱盖竖直方向三阶弯曲 电池模组摆动 箱盖竖直方向四阶弯曲图电池包前六阶模态阵型图 电池包一阶模态频率为 ，高于路面激励频率 ，主要集中在箱盖位置。说明电池包在整车运行过程中能够避开路面激励，降低振动和噪音。静强度分析电池包静强度分析是为了验证电池包结构的强度特性。将车辆行驶时三个运动方向的极限工况，以加速度惯性力的静态载荷方式施加到有限元模型上，计算电池包变形和应力分布。整车极限工况制动、急转弯、上下颠簸和吊装对应的惯性力不同，如表所示。表极限工况惯性力 工况惯性力制动急转弯上下颠簸吊装通过静强度分析，得到四个工况的应力云图，如图所示。图静强度分析应力云图 通过 应 力 云 图 看 出 制 动 工 况 的 最 大 应 力 为 ，位置在模组安装支架处；急转弯工况的最大应力为 ，位置在液冷板底部中心处；上下颠簸工况的最大应力为 ，位置在液冷板中心安装处；吊装工况的最大应力为 ，位置在上盖中心安装处。静强度的最大应力均小于电池箱体材料的屈服强度。年第期于伟，等：纯电小卡轻量化液冷动力电池包的设计与仿真 随机振动强度分析电池包被承载于整车的车架或底盘，受到车辆交变载荷反复作用，这种交变载荷强度远未达到静力学极限工况下的许用应力，随着激励的持续，电池包结构可能会产生高周疲劳。通过随机振动方法，将路谱的频 域 形 式 功 率 谱 密 度（，）函数作为电池包的载荷工况，进行随机振动强度分析和疲劳分析。分析中采用的 谱如表 所示。表功率谱密度函数（谱）（）向频率 （）向频率 （）向频率 （）通过随机振动分析得到 应力云图，通过疲劳分析得到损伤云图，如图所示。图 应力云图和损伤云图 随机振动分析方法的载荷和响应满足零平均值假设和正态分布假设，采用双边置信水平评价 应力时，最大置信应力为倍的 应力。向随机振动最大置信应力为 ，向随机振动最大置信应力为 ，向随机振动最大置信应力为 ，均小于材料的屈服强度。从损伤云图看出，电池包分别在向、向、向三个方向循环 后最大损伤值为，小于。挤压分析对电池包箱体向和向进行挤压，挤压板和墙采用刚性材料模拟。当挤压力为 时，横向挤压变形如图所示，横向挤压位移云图如图 表示，挤压板位移为 ，小于电池包横向距离的，而且没有挤压到电池模组。图横向挤压变形图 图横向挤压位移云图 当挤压力为 时，竖向挤压变形如图所示，竖向挤压位移云图如图表示，挤压板位移为 ，小于电池包竖向距离的，而且没有挤压到电池模组。图竖向挤压变形图 热仿真模型简化简化后的模型如图 所示，温度监控点共计个。电池工业 第 卷图竖向挤压位移云图 图 流场仿真模型简化图 仿真结果分析环境温度为 ，液冷（入水口）充放电情况下持续 ，电池包温度分布如图 所示。图 液冷电池包温度分布图 结束后，整个电池包最高温升约，高温集中在模组中心区域，模组两侧温度较低，整个电池包温 差在 以内，液 冷温 度 检 测 点 温 升 如图 所示，满足设计要求。电池包能量密度及集成效率结构仿真和流场仿真的结果，验证了文中提出的电池包方案，该方案能够满足动力电池包设计的安全性、可靠性和经济性需求，保证汽车在行驶过程中经受各种复杂工况时也能正常行驶，避免箱体变形造成图 液冷温度检测点温升图 电池包失效，进而带来安全隐患。现在的电池包设计大部分采用三级结构，即模组级、电箱级和系统级。若干电芯组成模组，若干模组合成电箱。模组级的成组效率，指电芯占模组的重量百分比，一般为 ，电箱级的成组效率在 左右，故整个系统的成组效率最好在 上下。随着市场要求越来越高，电池包轻量化设计迫在眉睫。以满足结构安全性能为前提，尽可能降低整体重量并提高能量密度，如此既能提高电动汽车的经济性，又能减少环境污染。能量密度与集成效率是衡量动力电池包轻量化的关键性指标。电池能量密度是单位体积或单位质量电池释放的能量，见式（）。集成效率是指电池包占电芯的能量密度比例。（）式中：为电池容量（或），；为额定电压（）；为质量（）。该次设计按照客户工况需求，选用方形磷酸铁锂电芯，采用双电池包布置，每个电池包 ，由个 模组组成。其中电芯的部分技术参数如表所示，单个电池包的具体质量参数如表所示。表电芯部分技术参数 序号项目参数电池类型磷酸铁锂标称容量 放电最小容量 放电标称电压 电池重量（）年第期于伟，等：纯电小卡轻量化液冷动力电池包的设计与仿真 表电池包具体质量参数 项目指标备注电池包重量 电箱能量 容量 根 据 公 式（）计 算 可 得，电 芯 的 能 量 密 度 为 （容量 ），电池包的能量密度为 ，该电池系统的集成效率为。结论文中提出的 纯电小卡轻量化液冷电池包设计方案，采用具有潍柴新能源自主知识产权的液冷动力电池下箱体及动力电池箱体结构，具有较好的加工工艺性及成本优势。通过对结构设计与仿真验证，可以达到较高的能量密度和系统集成效率，从而保证动力电池系统有较高的技术先进性和成本优势。仿真及相关分析对理解整个电池系统的搭建是不可或缺的一部分。通过必要的结构、流场等仿真，可以发现设计中存在的缺陷并及时改正，避免资源浪费，验证方案设计的可靠性、安全性。但是仿真也同样存在局限性，一些先决条件都按照理想情况设置，难免与实际不符。因此方案的成熟和完善需要搭建实际样品并进行相应测试实验，如此才能发现整个电池系统设计在装配过程中存在的问题，验证相关参数、实际工作性能是否满足开发需求，这也正是该设计方案接下来需要完善的地方。参考文献：李全，王俊升，王兵，等纯电动汽车电池包轻量化设计综述 汽车工程学报，（）：于伟，张万良，孔威，等 一种液冷板及动力电池：中国，于伟，王迎波，周广钊，等电池箱、动力电池及车辆：中国，收稿日期：；修回日期：。作者简介：于伟（），男，工程师，主要从事 动力电池系统研究与开发工作。：电池工业 第 卷