一款鋁合金液冷電池托盤產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計

李 斌，劉 迪，王東輝，金 鑫，邵倩男，張德偉，王 歡

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

電池包作為新能源汽車的主要儲能元件，直接影響電動汽車的性能[1]。電池包在使用過程中會產(chǎn)生一定熱量，使內(nèi)部溫度升高[2]。若熱量來不及散出可能會出現(xiàn)漏液、放氣、冒煙等現(xiàn)象，嚴(yán)重時電池發(fā)生劇烈燃燒甚至爆炸[3]。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象，底板集成循環(huán)液冷系統(tǒng)，可以簡單、高效的解決電池包散熱問題。

1 設(shè)計參數(shù)確定

1.1 原始設(shè)計參數(shù)

此次設(shè)計以減重效果好、散熱效率高、連接密封性等多方面為出發(fā)點，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)計出一種新型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。此次設(shè)計的鋁合金電池托盤，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。

表1 材料屬性

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 型材斷面設(shè)計

本文設(shè)計的鋁合金電池托盤采用液冷方式進行冷卻，底板設(shè)計時采用多腔型材，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)計時，采用波浪形內(nèi)腔，型材斷面圖如圖1(a)所示。邊框型材在保證強度滿足使用要求的前提下，采用多腔結(jié)構(gòu)型材進行整體減重，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)采用多腔開口型材，其斷面如圖1(d)所示。

圖1 型材斷面Fig.1 Profile section

2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)省型材模具開發(fā)費用。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。進出水口與套筒均由為鋁塊機加而成。

邊框與底板焊接，間橫梁與底板、底板端部與密封板、底板與進出水口、進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。鋁合金液冷電池托盤三維數(shù)模如圖2所示。

圖2 電池托盤三維數(shù)模Fig.2 3D digital mode of battery tray

3 仿真模擬分析

電池包的機械安全性能主要包括承載性能、底部球擊、跌落、機械沖擊性能等[4]。本文以GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法》為依據(jù)[5]，以液冷鋁合金電池托盤為研究對象，進行了承載能力、跌落、擠壓和底部球擊分析。

3.1 工況介紹

(1)承載工況。在動力電池中，電池托盤占去了電池系統(tǒng)重量的20%～30%，實為主要結(jié)構(gòu)件[6]。據(jù)此本文對電池托盤在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。要求殼體的抵抗力達到20kN時，其位移小于電池托盤最低位置至電池模組的距離。

3.2 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，且各個零部件的應(yīng)力都小于其屈服強度，滿足承載要求。

圖3 承載能力分析結(jié)果Fig.3 Carrying capacity analysis results

(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。

圖4 應(yīng)力云圖Fig.4 Stress cloud diagram

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，均小于其屈服強度，滿足跌落要求。

(3)擠壓分析。橫向擠壓，電池托盤在擠壓過程中的擠壓力-位移曲線如圖5(a)所示，在整個擠壓過程中擠壓力在7.07mm時達到100kN，滿足法規(guī)要求(>100kN)。縱向擠壓，電池包下殼體在擠壓過程中的擠壓力-位移曲線如圖5(b)所示，在整個擠壓過程中擠壓力在48.87mm時達到100kN，滿足法規(guī)要求(>100kN)。

圖5 擠壓力-位移曲線Fig.5 Squeeze pressure-displacement curve

(4)底部球擊分析。底部球擊主要是評估電池包底部在汽車行駛過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)計確定比較薄弱的位置進行仿真分析，各個薄弱點力-位移曲線如圖6所示。球體沖擊電池托盤的各個薄弱點時，電池托盤的抵抗力都可達到20kN，在達到20kN 時產(chǎn)生的最大位移為15.26mm。

圖6 抵抗力-位移曲線Fig.6 Resistance-displacement curve

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度，滿足承載能力要求。(2)電池托盤跌落時中間橫梁、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度，滿足跌落要求。(3)從兩個方向分別對電池包進行擠壓，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薄弱點時，球體的支反力達到 20kN 時，產(chǎn)生的最大位移為 15.26mm。后期模組設(shè)計時，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際服役過程中的風(fēng)險。

4 總結(jié)

本文結(jié)合鋁合金自身質(zhì)量輕、耐沖擊等特點，開發(fā)設(shè)計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；通過仿真分析可知，本文設(shè)計的產(chǎn)品滿足國標(biāo)要求，設(shè)計方案可行。