電池液冷系統(tǒng)的設計終稿

1、摘 要摘 要電動汽車因其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點已成為當今汽車產業(yè)發(fā)展的潮流。但是，電動汽車的電池包在使用過程中的發(fā)熱現(xiàn)象是一個值得注意和研究的問題。其熱量的存在不僅影響電池的性能，而且存在著安全問題。因此電池包的熱管理系統(tǒng)是電動汽車和混合動力在所有的工況和環(huán)境下安全有效行駛過程中必不可少的輔助系統(tǒng)。本文第一部分探討了課題研究的意義以及國內外的研究現(xiàn)狀；第二部分簡單的介紹了動力電池的特點（以鎳氫電池為例）和電池包的散熱技術；第三部分針對電池包的結構設計提出了一些具體的設計流程、要求以及參數(shù)確定；第四部分以某新能源科技有限公司生產的高性能鎳氫動力電容電池-NMCH300S為例運用Pro/E三維軟件對電池箱

2、體建模，并用Auto-CAD繪制機械工程圖；第五部分運用有限元ANSYS軟件對箱體強度校核；第六部分介紹電池冷卻系統(tǒng)的其他設備。本論文總結電池散熱系統(tǒng)的冷卻方式，運用三維建模軟件設計出了電池包的機械結構并繪制出了電池包的機械工程圖，并校核了電池包滿足其基本的強度要求。關鍵字：液冷散熱系統(tǒng)，動力電池，箱體設計，強度校核- 39 -AbstractAbstractGiven the advantages of energy saving and environmental protection，Electric vehicles has become the development trend o

3、f today's automotive industry. However, the electric car battery package in the course of the fever phenomenon is worth paying attention to it. The existence of the heat not only affects the battery performance, but also be a security problems. Battery package thermal management system is essent

4、ial auxiliary systems in the process of electric cars and hybrid driving safe and effective under all conditions and environment. The first part discusses the significance of the research and domestic and international research status; the second part describes the dynamic characteristics of the bat

5、tery, such as nickel-metal hydride battery and the battery package cooling technology; the third part talks about the battery package project and mainly contains the design of some specific design process, requirements, and parameters; the fourth part specific talks about modeling on the battery-NMC

6、H300S battery box whose battery produced by certain Co., Ltd. of high-performance nickel-hydrogen capacitor, and draws mechanical drawings with Auto-CAD software; the part V uses the finite element ANSYS software to check box strength; the sixth section describes the other equipment of the battery c

7、ooling system.This paper have summarized the cooling pattern of battery liquid cooling system, used 3D modeling software to design the mechanical structure of the battery pack and drew out the battery pack of mechanical engineering drawings, and checked the battery package stress to meet their basic

8、 strength requirements.Key words: Liquid-cooled cooling system, battery structural design, strength check目 錄目 錄第一章緒論- 1 -1.1課題的提出- 1 -1.2課題的研究意義- 2 -1.3電動汽車電池包國內外的研究現(xiàn)狀- 2 -第二章 動力電池冷卻技術簡介- 6 -2.1鎳氫電池的特點- 6 -2.2MH/Ni電池模塊工作時的發(fā)熱量- 6 -2.3主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)- 7 -2.4電池包的散熱技術- 7 -2.4.1空冷- 8 -2.4.2液冷- 8 -2.4.3冷板散熱- 9

9、-2.4.4相變材料與熱管- 9 -第三章 電池包的設計流程- 11 -3.1電池包設計的要求- 11 -3.2電池包設計的流程- 12 -3.3電池包參數(shù)的確定- 12 -3.4電池包型材的選擇- 13 -3.5電池包結構形狀- 14 -第四章 電池包的三維造型與制造工藝- 17 -4.1基于Pro/E的電池箱體三維造型方法- 17 -4.2電池包其他零件- 21 -4.3電池包的裝配- 22 -4.4電池包的制造工藝- 23 -第五章 電池箱的強度校核- 25 -5.1強度理論- 25 -5.2有限元ANSYS簡介- 25 -5.2.1ANSYS模塊- 25 -5.2.2ANSYS架構-

10、26 -5.3模型與有限元分析- 27 -5.3.1IGS文件的生成- 27 -5.3.2模型的材料與約束- 28 -5.3.3模型的網格劃分、施加載荷和邊界條件- 28 -5.3.4電池箱體模型的有限元分析- 30 -5.3.5箱體強度校核- 31 -第六章液冷系統(tǒng)的其它設備- 33 -6.1微型控制器和溫度傳感器- 33 -6.2冷卻液泵和風扇- 33 -6.3電控三通閥- 34 -6.4散熱器- 34 -6.5不燃絕緣冷卻液- 34 -6.6冷卻液管道- 35 -6.7加熱系統(tǒng)- 35 -總結與展望- 36 -第一章 緒 論第一章緒論課題的背景和意義為緩解日趨嚴重的城市環(huán)境（尤其是大氣）

11、污染和不可再生能源的枯竭，全球氣溫上升的危害加劇等問題的不斷加深，電動汽車已經成為汽車行業(yè)的熱門話題。各國政府和國內外汽車企業(yè)都普遍認識到電動汽車產業(yè)發(fā)展的重要性和緊迫性。發(fā)展電動汽車從根本上解決汽車產業(yè)涉及上述問題最佳解決途徑。最終實現(xiàn)汽車能源動力系統(tǒng)的電氣化，推動傳統(tǒng)汽車產業(yè)的戰(zhàn)略性轉移。目前，電動汽車發(fā)展的仍然存在諸多的技術瓶頸有待解決或突破，如電動汽車電池問題、安全問題、電機驅動及傳動技術、控制技術、汽車輕量化、車體外形設計、電動車標準、充電站基礎設施建設、以及電動車成本以及銷售方面等方面。盡管存在諸多問題，但是電動汽車產業(yè)發(fā)展已成為一個必然的發(fā)展趨勢。1.1 課題的提出動力電池是電動

12、汽車的力量之源，它不僅為電動汽車的驅動電機提供電能，將通過驅動電機將電能轉化為機械能，通過直接或間接（傳動裝置）驅動汽車車輪，而且還為汽車上的其他輔助設備以及娛樂設備提供必要的電能。根據(jù)電池對電能的儲存方式和工作原理，動力電池可以分為一次電池、二次電池、燃料電池、儲備電池。就目前研究和使用狀況來看，二次電池盒燃料電池在電動汽車上應用的最為廣泛。二次電池中包括鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池、鋰離子電池等。其中鎳氫電池具有無污染、大功率、高蓄能、重量輕、循環(huán)使用壽命長而體積小的優(yōu)良特性，同時還具備無記憶效應的優(yōu)點。動力電池安裝到電動汽車行駛過程中，電池的工作狀況和使用壽命不僅與電池本身的結構

13、和原理有關系，而且與其工作環(huán)境有密切聯(lián)系。惡劣的外界環(huán)境和錯誤的使用的方法都會給電池本身產生極大的危害，嚴重時導致電池無法正常工作，此時需要為電池設計管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對電池組的監(jiān)控、管理、保護和報警等功能，實現(xiàn)電池的自動維護，從而提供電池組的使用效率和使用壽命。本課題主要是針對電動汽車（客車）電池包長時間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中，將降低電池性能， 縮短電池使用壽命，同時電池箱內溫度場的長久不均勻分布將造成各電池模塊之間性能的不均衡。電動車行駛過程中，鎳氫電池處于不斷的充放電狀態(tài)，同時電化學反應的過程，所以電池在該過程會產生大量的熱量，然而電池的性能受氣環(huán)境溫度（鎳氫電池的最佳工作溫度為20&#

14、176;40°之間，模塊間的溫度在5°以下）因素的影響極其的敏感，因此需要一套熱管理系統(tǒng)對其進行恒溫控制。當車輛在交替變換的復雜的工況下行駛時，電池的放電的倍率隨之改變，相應的電池生熱效率也有所不同，再加上時間的積累以及個單體電池的溫度的差異性使電池中熱量不均勻的聚集，從而導致電池組中運行環(huán)境復雜多變。再者在低溫環(huán)境下，電池內部的電化學反應由于受溫度影響也不能正常的運行，需要對電池組進行加熱。因此為了能使電池充分發(fā)揮其性能的優(yōu)越性并延長電池壽命。本課題主要是設計電池組熱管理系統(tǒng)的機械結構層面來解決電池包熱管理問題-即合理的設計電池包的散熱/加熱系統(tǒng)的結構。1.2 課題的研究

15、意義電池包的熱管理是電動汽車在所有氣候條件下有效運行必不可少的輔助系統(tǒng)。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)展都有實質性的突破。優(yōu)秀的設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，結構簡單簡潔，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，對電動汽車的產業(yè)化，市場化發(fā)揮重大的作用。1.3 電動汽車電池包國內外的研究現(xiàn)狀電池包作為汽車上的動力源，為電動汽車提供

16、電池包作為汽車上的動力源，為電動汽車提供運行所需的能量。除了選取合理的電池，還要設計合理的結構裝載電池，同時能夠有效地監(jiān)測管理電池的運行，從而保證電動汽車的正常運行。根據(jù)電動車輛類型的不同，電池包的結構設計、所裝載電池的選取、以及管理系統(tǒng)的設計都大不一樣。目前國內外都在積極地研發(fā)合理的電池包，提高電動車性能。除了需要電池研發(fā)專家提高單體電池的性能，也需要我們合理的設計電池包結構裝載電池組以提高電池成組后性能，保證電池組能夠適應車輛的實際運行模式，盡可能的是電池單體處在最佳的運行環(huán)境中使用并且能發(fā)揮其最佳性能。隨著鎳氫電池技術的發(fā)展，使得以前制約電動車發(fā)展的蓄電池的性能基本上能滿足電動車的行駛需

17、要。鎳氫電池的比能量有了很大提高，生產電池的材料與蓄電池的結構也取得了很大進步。使用新型電池的電動汽車的加速性能完全能達到或超過今天燃油車的高水平。但是目前研究和試驗表明單體電池串聯(lián)或并聯(lián)形成電池組后，其性能出現(xiàn)急劇的衰減，導致單體電池無法發(fā)揮出其本身的最佳性能。此外，基于目前老舊類型的電池的充放電技術，以及缺乏管理系統(tǒng)使得電池包性能受影響頗大。電池的一致性是很大的問題，能量上存在很高的回收率，且生產工藝的差異性，電池本身之間就存在著差異，電池的容量和充放電性能均存在差異。電池成組后，電池組內電池性能不一致，隨著時間的推移和使用次數(shù)的增多，電池間的差異越來越大，由于電池一致性較差最后導致電池組

18、整體性能大幅下降。因此國內外目前除了在加緊研發(fā)新型電池技術外，還在積極的研究電池管理系統(tǒng)。其中很重要的就是電池包的熱管理系統(tǒng)，以及SOC估計這兩項核心技術。因為電池管理系統(tǒng)就是基于SOC估計以及電池熱管理技術上的。從而來提高電池的一致性，增加電池包的壽命和性能。其中電池包熱管理對于電池的一致性影響較大，目前在電池包的設計中關注較大。目前電動汽車的散熱方式中，根據(jù)不同關系有不同的劃分方式。根據(jù)電池與外界環(huán)境的關系，將冷卻方式劃分為主動冷卻和被動冷卻?，F(xiàn)在的研究中，被動冷卻系統(tǒng)是主要的散熱方式，但是電池處在變化的環(huán)境加上電池本身的影響，電池受外界環(huán)境影響很大，只能在某種程度上緩解電池的散熱情況；主

19、動冷卻方式可以根本上擺脫外界環(huán)境對其產生的影響，可以按照電池需要設置電池的工作環(huán)境，可以保證合適的工作溫度。美國再生能源實驗室做了許多有關電動車能源儲備的研發(fā)，并針對電動車適用的鎳氫電池做了相當多的研究和實驗。并且運用相關計算機輔助工具和實驗來分析研究電池包的各種性能。同時也特別針對電池包熱管理方面做了很多的研究。除了考慮到散熱設計，還考慮到電氣設計分析與控制。美國能源實驗室對電池的計算電氣模型進行了簡化，已經開發(fā)出電池模型用于仿真計算。正在開發(fā)綜合性的計算機輔助工程軟件工具來推進電池包結構的合理設計。通過資料記載和有關信息表明，目前國外許多著名汽車廠商或電池廠商對動力電池本身特性、原理和電池

20、的管理系統(tǒng)（熱管理系統(tǒng)和電池組管理）的研究投入的力度較大。國外研制高功率鎳氫電池的公司主要有日本三洋電機株式會社、松下EV電池公司、美國的Cobasys公司、德國的Varta公司和法國的Saft公司等。另外，日本的蓄電池公司、古河電池公司、東北電力公司、湯淺公司及韓國的現(xiàn)代汽車公司等都在積極的研發(fā)電動汽車動力電池。隨著國外電動汽車的迅猛發(fā)展，我國電動汽車產業(yè)的發(fā)展也開始發(fā)展起來。在我國科技工作者的共同努力下，中國電動汽車用鎳氫電池的技術正日趨成熟。中國很多單位一直從事電動汽車用鎳氫電池的研究，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所長期從事鎳氫電池及相關材料的研究與開發(fā)，北京有色總院、中山電池公司、湖

21、南神州科技、春蘭集團、鞍山三普等單位均從不同的角度做過大量積極有益的工作，均取得了很大的進展。與鋰離子電池相比，從1992年發(fā)展至今的鎳氫電池被認為是“成熟”的技術，但目前仍有不少因素制約其實際運用，包括高溫性能、貯存性能、循環(huán)壽命、電池管理系統(tǒng)、熱管理和價格等。上述不確定因素和技術瓶頸導致電動汽車無法順利的實現(xiàn)大面積的普及和推廣。但是就目前情況和實際調查研究顯示，電動汽車電池的熱管理技術還有待加大研究的力度，在混合動力汽車HEV上普遍采用的空冷技術且發(fā)展的相當成熟。由于純電動汽車采用電池作為唯一的動力源，電池發(fā)熱量和速率均比混合動力汽車高，采用風冷很難控制電池的環(huán)境溫度，而液冷技術復雜性，其

22、并未得到很大的采用。所以設計出高效而結構簡單并實用的液冷散熱系統(tǒng)需要科研工作者做出更大的努力，為電動汽車的發(fā)展貢獻一己之力。第二章 動力電池冷卻技術簡介第二章 動力電池冷卻技術簡介2.1 鎳氫電池的特點鎳氫電池的正極采用金屬氫氧化鎳，負極采用的是錫氫合金。鎳氫動力電池具有無污染、大功率、高必能、重量輕、循環(huán)使用壽命長而體積小的優(yōu)良特性，同時鎳氫電池不含有鎘、鉛等有毒重金屬。鎳氫電池的主要特點:u 質量比功率高：目前商業(yè)化的鎳氫功率型電池能做到1350Wh/kg.u 無污染，不含鉛等對人體有害的重金屬，是21世紀的“綠色能源”。u 耐過充過放u 無記憶效應u 循環(huán)次數(shù)多：目前應用在電動車上的鎳氫

23、動力電池，80%放點深度（DOD）循環(huán)可達1000此以上，為鉛酸電池的3倍以上。100%DOD循環(huán)壽命也在500以上u 使用溫度范圍寬：正常的使用溫度范圍-3050；貯存溫度范圍也在-4070u 安全、可靠：短路、擠壓、針刺、安全閥工作能力強、跌落、加熱、耐振動等安全性試驗無爆炸、燃燒情況綜上所述鎳氫電池作為電動汽車的能源是比較理想的，同時隨著能源枯竭和動力汽車的不斷發(fā)展，鎳氫電池的技術越來越成熟，鎳氫動力電池的發(fā)展前景是可觀的。2.2 MH/Ni電池模塊工作時的發(fā)熱量MH/Ni電池充放電過程是由主、副反應組成的一連串的化學反應。充電時，電池的上述兩種同時存在，且均為放熱反應，其中充電前期發(fā)生

24、主反應，放出大量熱量，電池溫度逐漸升高；后期主副反應同時存在，此時溫度上升的速度明顯加快；放電時，主反應是吸熱反應，副反應時間極短，可以忽略不計。電池的單位發(fā)熱量按式（1）、（2）計算 （1） （2）上兩式（1）、（2）中，和分別代表充電和放電的發(fā)熱量，I為電流，為電池的內阻。，電池生熱量與電流和電池內阻有關。電動汽車在不同運行狀態(tài)下，電池的工作狀態(tài)不同，生熱速率也不同。電池產生熱量的主要由電池的種類、電池的工作狀態(tài)、電池SOC（荷電狀態(tài)）及電池的工作環(huán)境等。主要是因為電池生熱率受工作電流、內阻（由（1）、（2）式）及荷電狀態(tài)相關。2.3 主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)的區(qū)別主要在于是否

25、額外的增加能耗性設備輔助電池包的散熱/加熱系統(tǒng)。被動系統(tǒng)由于無需采用額外的設備，一般通過自然風冷的形式，所以其成本較低且結構簡單，在早期的電動汽車上應用的比較廣泛。隨著電動汽車的不斷發(fā)展，電池包容量的增大，僅通過電池包本身周圍空氣傳熱已無法滿足電池的散熱量，并且無法對電池加熱，滿足汽車的需要。因此，電池包開始采用主動形式的散熱/加熱系統(tǒng)或者主被動結合使用，能夠靈活利用能量的流動，更大程度上減小能量的損失，只是結構上復雜一些。2.4 電池包的散熱技術電池散熱是源于電池本身的機理所決定的，電池在充放電的過程中發(fā)生的是電化學反應，在此過程中必然會伴隨著放熱和吸熱的過程。但是由于電池包的結構和安裝位置

26、的局限性以及電池工作環(huán)境的復雜性，電池產生的熱量不能及時擴散，所以電池包有必要采取必要的散熱技術來解決此問題。目前應用的主要的散熱技術有空冷、液冷、冷板散熱、相變材料或熱管儲熱、空調冷卻等方式。2.4.1 空冷空冷是目前電動車或混合動力汽車上應用最廣泛的散熱方法，也是最成熟的方法。其基本原理就是通過風扇運行產生強制氣流或者利用汽車前進中迎面風。與其它方法相比，空冷結構相對簡單、安全、維護也較方便。日本豐田公司的混合動力汽車Prius和本田公司的Insight均采用的空冷方式。目前空冷通風散熱方式有串行和并行兩種方式（如圖2-1）。圖2-1上述兩種方式很難避免會出現(xiàn)空氣流量的不一致性，同時冷卻效

27、果會隨著氣流的運動，流體和電池的溫差逐漸減小，熱交換能力逐漸減小，冷卻空氣的溫度不斷升高，導致冷卻效果的變差。同時，不同的電池單體在制造過程中會出現(xiàn)一定的差異性，其發(fā)熱能力的存在差異性，而且由于空氣與固體的導熱系數(shù)相比其他方法也是較低。2.4.2 液冷液冷就是利用導熱率相對較高的液體間接或直接的接觸電池實現(xiàn)固體與液體間傳熱方式來降低電池溫度的方法。液冷氛圍直接接觸式和間接接觸式兩種。間接接觸式的液冷系統(tǒng)中，液體在管道內流動，通過翹片等于電池直接接觸，將熱量通過翹片傳遞給冷卻管道內的液體，從而將電池的部分熱量帶走，達到冷卻電池的目的。由于液體是密封在管道內，所有絕緣的要求相對要求低一些，且沒有流

28、速限制，所以可以選用導熱率高但是電絕緣性不好的液體，換人效果非常好。但溫度的均勻性要差一些。為了防止泄露造成的短路，這種方法的密封性要求非常高。直接接觸式的液冷所采用的是電絕緣且熱導率高的液體（例如硅基油、礦物油等）直接接觸單體電池或電池模塊。它能夠很好的解決電池溫度均勻性的問題，但是由于液體的絕緣性非常高，所以該液體的黏度較大，所以液體在電池包流速較低，從而也從一定程度上限制了換熱效果。液冷方式對電池包熱交換效率很大程度上取決于液體的熱導率、粘度、密度、液體流速、流體流過電池的方式以及流體與電池的接觸面積。液冷方式的主要優(yōu)點是：u 與電池壁面間的導熱系數(shù)高，冷卻和加熱效果好；u 體積較小。對

29、于純電動汽車和串聯(lián)式混合動力汽車，電池組作為主要的動力部件，生熱量大。對于生熱量大的動力電池，若想獲取較好的散熱方式，液冷方式不愧為最佳方式之一。液冷方式的主要缺點是：u 結構相對復雜，系統(tǒng)的質量相對較大，需要增加額外的輔助部件；u 密封性要求較高，存在漏液的可能，并且維修和保養(yǎng)復雜。目前此技術還不是很成熟。整體式的液冷系統(tǒng)（特別是電池模塊多的電池包）不但能使電池整體的散熱效果，還能實現(xiàn)單體電池間溫度均勻分布，對電池容量均衡控制也有一定的幫助。2.4.3 冷板散熱其實質采用高導熱材料直接貼在電池表面，能夠很好地強化聚不散熱，在模塊間使用冷板可以提高散熱的效率及模塊間溫度的均勻性。我們可以根據(jù)實

30、際情況設計冷板的尺寸和形狀，但由于冷板的使用會增加成本和體積，我們可以考慮在重點發(fā)熱區(qū)使用此方法。2.4.4 相變材料與熱管相變材料是隨溫度變化而改變形態(tài)而改變形態(tài)并能提供潛熱的物質。相變材料正是通過相變的過程吸收或釋放大量的潛熱。熱管則充分利用了熱傳導原理與致冷介質的快速傳遞性質，通過熱管將電池表面的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何一支金屬的導熱能力。相變材料與熱管的結合實現(xiàn)了電池熱量的交換，從而保證電池溫度處在動態(tài)的穩(wěn)定范圍。熱管是一種密封結構的空心管，一端是蒸發(fā)端，另一端是冷凝端，管中充滿蒸發(fā)時恩能傳遞熱量的液體和冷凝時將液體帶回吸液芯。因此熱管是一種效率很高的熱傳導器。其最大的

31、優(yōu)點是保證電池包能在任何溫度下工作。第三章 電池包的設計流程第三章 電池包的設計流程第三章 電池包的設計流程3.1 電池包設計的要求為達到對電池進行能量管理的目的，單體電池必須裝配在一個整體的密封箱體內，同時該箱體還應保證密封，該箱應具備一定的條件和要求：1.電池箱體必須是密封的。除必要的液體出入口外不能與外界相通。密封箱體內的要求主要考慮電池冷卻液額流動問題，不許在某處泄露，從而避免冷卻液體的流動性差導致單體電池工作溫度的不一致，致使電池性能的降低。2.電池箱體的形狀應達到與單體單體電池模塊的形狀相適應。當冷卻系統(tǒng)工作時，液泵提供的液流量能均勻的流過每個單體電池周圍，箱體內不能形成液流的“死

32、區(qū)”和渦流的存在，保證電池單體工作過程中溫度均勻，盡可能的控制電池性能的一致性。這也從根本上防止了個別單體電池壽命的縮短。3.電池箱體應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.單體電池的質量達到6.4Kg/塊，將電池單體整合后其質量將達到數(shù)噸，如此大的質量必然對箱體的強度、剛度和疲勞性具有一定要求，必然對其進行強度校核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而不影響電池性能的發(fā)揮。6.如何設計不燃絕緣冷卻液在電池箱體中的液流方向使得冷卻效果達到最佳，其中關鍵是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

33、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計其結構形式及尺寸，是減小機器質量、節(jié)約金屬材料、增強機器剛度的重要途徑。3.2 電池包設計的流程電池包相關的參數(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構形狀和冷卻形式。除了滿足上述功能性的參數(shù)后，還需從箱體工作性質校核箱體的剛度、強度，設計其制造精度。電池包的設計流程圖如圖3-1所示：箱體結構設計三維軟件設計有限元校核不合格安全性和功能性的分析方案布置圖3-1設計流程圖3.3 電池包參數(shù)的確定根據(jù)電動公交車的內部空間和電動車的功率的需求，我們采用的是開關磁阻電機。通

34、常我們要以公交車的最高車速為基本條件來選取驅動電機的功率。而電機的轉矩越大，則電動車的整車爬坡性能越高；電機的轉速越高，則電動車的最高車速越大。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。本論文課題采用的是某新能源科技有限公司生產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3-1所示：表3-1 電池性能參數(shù)電池類型動力鎳氫電池電池標稱電壓1.2V電池容量300Ah電池重量6.4Kg工作溫度-4555（）循環(huán)壽命10000（次）最大充電電流6000（A）最大放電電流9000（A）本課題采用的鎳氫電池組的參數(shù)如表3-2所示：表3-2 電池組的組合參數(shù)連接方式串

35、聯(lián)散熱方式液冷單體電池數(shù)量30編組方式串聯(lián)3.4 電池包型材的選擇對于本課題所設計的電動客車電池包（液冷形式），由于電池包處在的工作環(huán)境非常復雜。電池的質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量和成本，經濟性的情況下盡可能減輕箱體的質量。通過查詢機械設計使用手冊，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

36、載荷零件和構件。因此，此材料是不錯的選擇。3.5 電池包結構形狀箱體常采用的截面形狀有矩形、空心矩形、空心圓形、工字型。在面積相等時，空心矩形截面彎曲強度不及工字形截面，扭曲強度不及空心圓形截面，但它的扭轉剛度大得多，而且采用空心矩形截面的機架和電池包的內壁上易裝設其他機件。綜合考率到箱體的重量、制作成本，采用矩形截面的鋁板。通過校核后，如不符合強度等結構性能，則選用強度高一些的型材。3.5.1 壁厚壁厚直接影響電池包的強度和剛度。首先，采用經驗法或類比法確定壁厚和其他結構的尺寸，與同類產品進行比較參照設計這的經驗或設計手冊等資料提供的經驗數(shù)據(jù)確定初步的壁厚，再用有限元法（ANYSIS）計算器

37、強度和剛度，經過不斷的修正，獲得合理的尺寸。初步選取厚度為5mm。目的是保證箱體的質量和強度的情況下進行優(yōu)化。3.5.2 肋板和加強筋鑒于電池包箱體的結構特點，為改善箱體的剛度，尤其是箱體壁厚的剛度，電池包將采用分布于內壁上的凸板作為加強肋，同時加強肋還起到了液流密封的作用；在箱體底板上設置橫向筋板?？紤]到電池在工作時會有一定的膨脹，電池在裝配后需要對其預留一定的空間滿足其外形的變形，而在加強肋板上加工出燕尾槽，燕尾槽平直密封條嵌入后能滿足了電池變形的要求，同時增加了密封性能。在箱體的四個角上，其強度要求高，受力工況復雜，并且此處采用的焊接工藝，無法保證足夠的強度，因此設計初加上加強筋。在電池

38、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。3.5.3 單體電池的固定方式電動汽車在行駛過程中，單體電池定位及安裝不僅設計單體電池模塊的更換機維護，而且設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，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3-2所示。圖3-2 電池固定模塊由于單體電池在充放電的過程中，電

39、池會有一定的膨脹量。因此在固定單體電池時，單體電池和箱體之間不能剛性接觸，需要給電池預留足夠的間隙-彈性體連接。其壓縮量恰好作為設計公差體現(xiàn)。第四章 電池包的三維造型與制造工藝3.5.4 箱體密封的設計箱體密封主要考慮到三個方面的密封設計：u 箱體外部的密封。即箱體是由鋁合金板焊接而成，主要保證焊縫的密封性，并保證焊縫滿足一定的強度和剛度要求。u 由金屬材料的性質，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雜載荷條件下工作。u 箱體蓋

40、和電池固定支架的密封，保證液體在車輛行駛過程中冷卻液體不會泄露或飛濺出箱體外。通過電池和上支架表面的間隙配合實現(xiàn)密封。u 電池箱體內部液流密封箱體壁與電池之間彈性密封。此密封采用的靜接觸型梯型平直密封條。具體結構如工程圖DCYLXT-31所示。由于電池自身膨脹，自動增大電池與密封條的接觸壓力，增強密封性能。 第四章 電池包的三維造型與制造工藝隨著計算機技術和機械工業(yè)技術的發(fā)展，CAD技術已經發(fā)展成為一項成熟的機械生產技術不可或缺的一部分。它不僅要具有工程及產品的分析計算、仿真與試驗、幾何建模以及繪制圖形、工程數(shù)據(jù)庫管理和生成設計文件等功能。伴隨著計算機硬件性能的提高，CAD技術也飛速的發(fā)展。目

41、前，CAD技術已廣泛應用于工科行業(yè)，如飛機、汽車、船舶、建筑、機械等。但是CAD技術在機械行業(yè)應用的更廣。電池箱體是電池散熱系統(tǒng)的重要組成部分，也是該系統(tǒng)的主要的工作環(huán)境。其強度和剛度對電池包的裝配和配合關系對電池冷卻液體的流動起著決定性的作用。箱體設計造型過程中缺乏科學合理的設計步驟，無法對箱體的結構應力，因此常采用安全系數(shù)偏大的，導致箱體體積和質量過大，既增大制造成本，還增加車身的重量。本課題的電池箱體采用Pro/E三維造型，將實體模型導入ANSYS有限元分析，對模型進行校核。4.1 基于Pro/E的電池箱體三維造型方法Pro/Engineer是美國參數(shù)公司開發(fā)的參數(shù)化三維建模軟件，是目前

42、CAD行業(yè)主流軟件制造商之一。可以利用其強大的三維實體建模功能完成箱體的三維造型。Pro/E拉伸的步驟：首先繪制二維草繪圖形；點擊【拉伸】，調整拉伸長度，完成拉伸1；點擊菜單【拉伸】【放置】【定義】，選擇正確的草繪平面，繪制合理的二維圖形確定正確的拉伸長度，選擇是否去除材料，完成拉伸。1.創(chuàng)建箱體的外部結構。在Pro/E軟件中建立零件（.prt）文件。通過五次的矩形拉伸可以得到一個箱體（748*440*310）。如圖4-1所示。2.先草繪758*450的二維矩形，拉伸5mm厚度作為電池箱體底板；然后在底板邊緣草繪四個矩形拉伸箱體邊（兩個758*5和兩個440*5），拉伸長度為310mm。圖4-

43、13.創(chuàng)建箱體底部固定槽。選取箱體內底面作為拉伸草繪平面，然后繪制突出物體（固定箱體左右和前后移動），按照拉伸的步驟，拉伸長度為10mm,完成固定槽拉伸；按照液流的S型流向，按照同樣的方法拉伸出導流塊，其厚度為20mm.其模型如圖4-2所示。圖4-24.加強筋的制作。分別在箱體的四個角上焊接上加強筋以增強箱體強度和剛度。方法同上繪制出圓弧過渡的截面形狀，拉伸截面，生成如圖4-3的實體模型。 圖4-3 箱體5.螺紋固定孔該特征不是拉伸特征。采用Pro/E特有的螺紋特征。步驟：【插入】【修飾】【螺紋】，彈出對話框如圖4-4所示。 圖4-4 螺紋參數(shù)設定面板 圖4-5 固定螺孔布置設置圖4-4中的參

44、數(shù)制作出螺孔：螺紋長度為10mm；主直徑為5mm.在箱體底部電池中間的液流槽上分別修飾出如圖4-5所示的M5*0.8的螺孔（布置形式5*2）。6.拉伸梯型密封槽。由于無法找到此密封槽的尺寸，根據(jù)箱體的實際需要，自行設計了一個密封槽（尺寸參數(shù)：10*20*8）。其截面形狀和實體模型分別如圖4-6和圖4-7所示。圖4-6 密封槽截面圖 圖4-7 導流塊與密封槽7.導流塊上的固定螺孔按照第五點的步驟將在每一個導流塊的表面上【圖4-6】修飾出深度為35mm螺紋孔。用于固定電池的上下的位移。8.電池箱底部的冷卻液池冷卻液池的尺寸為748*440*50。與電池箱體焊接為一個整體，由于頂部承載有電池包重量大

45、，需要在箱體壁上布置加強筋以增強箱體的承載能力。利用【拉伸】特征，箱體的長度方向分布與導流塊一致；寬度方向兩側均為40*20*50的加強筋。圖4-8箱體底部的輪廓線標明結構特征。圖4-8 電池箱加強筋輪廓圖利用Pro/E的三維實體建模功能完成了電池箱體的造型。其實體模型如圖4-9所示。圖4-9 電池箱體模型4.2 電池包其他零件電池包除了箱體外，還有電池、固定螺栓、固定上支架、中間壓塊等組成電池包的零部件的實體建模。最后利用Pro/E的【組件】特征，將零部件裝配成整體電池包。1) 動力鎳氫電池是采用外形尺寸為280*120*60（極柱高25mm），如圖4-10所示。2) 電池上支架鑲嵌在電池的

46、頂部，如圖4-11所示。3) 電池固定螺栓M5*0.8（L為285mm） 圖4-10 上支架 圖4-11 單體電池 4.3 電池包的裝配打開Pro/E界面，單擊【文件】【新建】對話框，選擇【組件】按“確定”進入組件界面。添加零件的步驟：1.點擊右下角的，選擇文件名xiangti.prt的文件調入裝配窗口（第一個文件約束條件默認為缺省）；2. 同樣點擊右下角的，選擇dianchi.prt文件，利用Ctrl+Alt+鼠標中間鍵或右鍵移動此文件至合適的位置；3.添加約束條件：點擊左上角的【放置】按鈕，選擇自動/匹配/對齊/插入等約束條件，使電池底面與電池箱的底槽重合，直至完全約束。4.裝配約束條件完

47、后，單擊右上角圖標，即可完成。5.電池的陣列：選中電池，單擊窗口右側的，選取【方向】，陣列尺寸方向分別為為72mm和140mm，即可完成。6.電池上支架和固定螺栓：采用上述同樣的方法即可將其完全約束。圖4-12為電池包的整體裝配模型。圖4-12 電池包模型圖4.4 電池包的制造工藝電池包的工程圖是電池制造過程的第一步，它能清楚的表達箱體的結構形狀、裝配關系、工作原理和技術要求。電池的制造工藝是機械工業(yè)從理論向實踐轉變過程。工藝要求是箱體制造過程中需遵守的規(guī)則，以便能滿足箱體的使用性能。（具體的工藝要求見機械工程圖）1.電池箱體采用硬鋁合金板，其粗糙度Ra3.22.按焊接箱體的圖紙進行小件下料，

48、并且打好焊接的坡口（30°）；3.按圖紙要求制作好密封條、橡膠塊和固定螺栓等；4.按圖紙要求制作好加強筋及其上的焊接坡口；5.栽制箱體板是預留35mm的的切削加工余量用于制作坡口。6.焊接前，采用氬弧焊打底工藝，可以保證焊縫良好的工藝性能和力學性能。做好準備后即可按照工程圖紙要求制作箱體。焊接后，為消除焊縫的內應力，應經時效處理第五章 電池包的強度校核第五章 電池箱的強度校核5.1 強度理論強度理論是判斷材料在復雜應力狀態(tài)下是否破壞的理論和準則。材料在外力的作用下有兩種不同的破壞形式：一是在不發(fā)生顯著塑性變形時的突然斷裂，稱為脆性破壞；二是因發(fā)生顯著塑性變形而不能繼續(xù)承載的破壞，稱為

49、塑性破壞。箱體結構裝配后在使用的過程中，其受到不同程度的載荷作用，并且應力狀態(tài)非常復雜。此時，箱體必須承載來自箱體內外的負荷，抵抗外載的破壞能力，但是這種能力有限度的，即箱體的許用應力；為保證箱體的正常的配合間隙，箱體在外力作用時必然發(fā)生固定尺寸和形狀的變化，即箱體的許用變形。本課題研究的是箱體在靜力載荷下箱體的變形理論。其強度和剛度及其穩(wěn)定性需要滿足其在固定載荷下，能保持一定的配合間隙。利用有限元結構分析方法對其進行剛度和強度的計算校核。因此，有限元分析的目的就是要保證或提高箱體的強度；若不符合要求，則需進行優(yōu)化設計和改進方案，以達到設計的整體要求。本箱體結構不是很復雜，屬于焊接箱體，但是其

50、受到的工況載荷比較復雜，其工作環(huán)境比較復雜，并且變化無規(guī)律性；作為主要的受力部件，難以用經典力學的方法進行求解。因此本課題采用了有限元法對電池箱體進行靜力學分析。在分析計算中，以Pro./E三維制圖軟件建造三維的實體模型（已在第四章進行了詳細的概述），根據(jù)載荷工況，使用有限元分析軟件ANSYS，計算出箱體在特定載荷條件（典型的載荷工況，如均布載荷、）的應力和應變的分布情況。及箱體的各個地方的強度狀況。在對結果計算進行了分析后，確定箱體是否能夠滿足強度和剛度要求。5.2 有限元ANSYS簡介5.2.1 ANSYS模塊ANSYS是美國ANSYS公司設計開發(fā)的一個融結構、熱、流體、電、磁、聲學于一體

51、的大型通用的有限元分析、優(yōu)化與計算軟件。目前廣泛應用于機械制造、航空航天、汽車交通、國防軍工、土木工程、電子電器等工業(yè)研究領域。ANSYS軟件提供的功能清單有自適應網格劃分、結構高度非線性分析、電磁分析、計算流體力學分析、接觸分析、設計優(yōu)化以及利用ANSYS參數(shù)設計語言擴展宏命令。ANSYS最基本的模塊包括前處理、求解器以及后處理三大部分。其要應用模塊有Multiphysics、Mechanical、Structural、Linear plus、Thermal、Preppost、ED、FLOTRAN、Emag、LS-DYNA等模塊。其中Multiphysics是目前應用范圍最為廣闊的軟件包，是

52、一個多物理耦合的分析程序，用戶不僅可以對諸如結構、流體、電磁、熱等進行單獨研究，而且可以將這些綜合起來的相互影響進行研究，從而為設計分析功能提供了一個模擬真實問題的平臺；Mechanical模塊提供了工程分析和設計優(yōu)化功能的環(huán)境，可以進行完整的結構、熱、壓點及聲學分析，可以用來確定模型的位移、應變、應力、溫度、壓力分布、作用力以及其他重要的設計標準，是一個強大的設計校驗工具。此模塊應用于本課題中解決電池箱體的強度和剛度結構問題。5.2.2 ANSYS架構ANSYS構架分為兩層：一是起始層（Begin Level），二是處理層(Processor Level)。如果輸入一個操作命令后，通過起始層

53、過濾和分流，接著進入到處理層中不同的模塊程序中求解器。求解器接收到命令組合代碼執(zhí)行特定的指令，解決問題的一部分。1. 創(chuàng)建有限元模型1) 將IGS模型讀入ANSYS中2) 定義材料的屬性3) 劃分網格2. 施加載荷并求解1) 施加載荷及設定的約束條件（結構負荷、邊界條件等）2) 求解3. 查看結果1) 看分析結果（應變/變形、應力、等）；獲取求解結果（應力云圖和位移云圖）2) 運用第四強度理論判斷應力結果是否滿足結構要求5.3 模型與有限元分析雖然ANSYS自帶有建模的功能，但是該建模功能非常有限以及使用的方便性，筆者采用了Pro/E強大的三維建模功能對箱體建模。在建立模型過程中，可以對應力分

54、布不起主要作用的微小結構簡化，忽略了過渡圓角和螺紋孔，然后建立好箱體的三維模型。如圖4-9所示。5.3.1 IGS文件的生成IGS格式文件是CAD文件的一種通用格式，其實根據(jù)IGES標準生成的文件，主要用于不同三維軟件系統(tǒng)的文件轉換。此格式文件恰好在Pro/E軟件和ANSYS軟件之間起到了橋梁作用。這樣既充分利用了Pro/E的三維造型功能，也很好的利用了ANSYS軟件的強度分析功能，相互發(fā)揮了各自的長處。生成IGS文件的步驟：運行Pro/E軟件并將xiangti.prt文件打開，接著單擊【文件】【保存副本】，彈出對話框選擇保存的類型為.igs,確定后彈出如圖5-1的對話框，選擇【實體】即可導出

55、IGS類型文件圖5-1 IGS文件的轉換5.3.2 模型的材料與約束根據(jù)設計的要求，電池箱體采用的材料是硬鋁合金板（原LY12）。硬鋁合金的彈性模量E=70GPa，泊松比，密度，其強度極限410MPa，屈服極限。在考慮約束條件時，不僅要考慮設計變量的約束，還要考慮靜態(tài)特性的約束條件。其約束主要有三個方向：電池箱底部的表面荷載約束；箱體兩端各施加一個力約束。5.3.3 模型的網格劃分、施加載荷和邊界條件將電池箱體IGS模型導入ANSYS的結構靜力分析模塊中，對模型進行網格劃分（由于模型結構比較簡單），采用的計算機自動生成有限元網格功能，由此生成節(jié)點和單元。其中網格類型為六面體20節(jié)點Solid186單元，生成的網格如圖5-2所示。圖5-2 網格圖邊界條件：此次校核未考慮箱體在客車形式過程中的動態(tài)載荷，而是結構靜力分析，箱體水平的放置在車體后備箱體中，對其施加一個全約束。施加載荷：根據(jù)箱體的工作性質和環(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)值知單體電池的質量為6.4Kg，其底面積為為120*60，電池箱體電池槽中的壓力為：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：考慮到車輛在行駛過程中，汽車存在急加速或急剎車的情況，液體在箱體中存在一個慣性的