李 欣，胡 淼，連正秋

(凌云工業(yè)股份有限公司，上海 201708)

1 開發(fā)背景

基于能源持續(xù)緊缺、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，在國家法規(guī)和環(huán)境因素雙重作用下，大力發(fā)展新能源汽車已成為必然的趨勢(shì)。新能源汽車的動(dòng)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(dòng)力電池系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，它的安全性、可靠性和耐久性至關(guān)重要，決定著整車的性能[1]。汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)通常布置在車身底板下方，要經(jīng)受較為嚴(yán)酷的安裝環(huán)境和惡劣的工作環(huán)境，電池殼體作為動(dòng)力電池的載體，在動(dòng)力電池安全工作和防護(hù)方面起著至關(guān)重要的作用[2-3]。電池殼體不僅需要滿足耐振動(dòng)強(qiáng)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(nèi)部，在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要通過冷卻裝置及時(shí)冷卻散熱。冷卻裝置的冷卻方式分為風(fēng)冷、水冷和自然散熱[4]。水冷方式在散熱效率、溫度均勻性、安裝環(huán)境適應(yīng)性、高溫高寒兼顧性、能耗等方面均優(yōu)于風(fēng)冷和自然散熱。目前用于動(dòng)力電池系統(tǒng)的水冷裝置為單獨(dú)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、泄漏風(fēng)險(xiǎn)大等問題[5]。為提高冷卻效果，管路多布置在電池殼體內(nèi)部，如果密封失效發(fā)生泄漏，將直接導(dǎo)致動(dòng)力電池系統(tǒng)短路，造成嚴(yán)重后果。此外，目前通用的鋼質(zhì)電池殼體存在自重大、不利于輕量化、制作工藝復(fù)雜、加工成本高等問題[6]。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(dòng)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(duì)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

圖1 電池殼結(jié)構(gòu)示意圖

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(qiáng)度達(dá)到300 MPa，在保證了電池包結(jié)構(gòu)安全性能的前提下，輕量化效果顯著[7]。

2.2 集成水道底板的截面設(shè)計(jì)

集成水道底板由4塊分底板擠出型材攪拌摩擦焊接而成[8]。單個(gè)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(jié)構(gòu)，可以將上層底板、下層底板、立筋、隔板、加強(qiáng)立筋擠壓成型(見圖2)。

圖2 分底板截面示意圖

分底板總厚度為12～18 mm，其中，上層底板厚度為2～3 mm，下層底板厚度為2～3 mm，立筋厚度為2～3 mm。分底板的這種雙層結(jié)構(gòu)可在同等材料投入量的條件下提高強(qiáng)度，特別是在底部抗石擊性能方面有明顯提高。為進(jìn)一步提高分底板的強(qiáng)度，在上層底板、下層底板之間還設(shè)有加強(qiáng)立筋，加強(qiáng)立筋與立筋平行，加強(qiáng)立筋的厚度為15～25 mm，電池模組安裝孔穿過上層底板設(shè)置在加強(qiáng)立筋上。用這種方式安裝電池模組，可以減少跌落試驗(yàn)時(shí)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(gè)側(cè)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(jié)構(gòu)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(jìn)水通路和出水通路在對(duì)應(yīng)各分支流道的位置設(shè)有通流孔。冷卻水流道的凈寬度為40～50 mm，冷卻水流道的凈高度為4～5 mm，相鄰冷卻水流道的間距為80～120 mm。與傳統(tǒng)的獨(dú)立的液冷板相比，其可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、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(shè)計(jì)

冷卻水路的設(shè)計(jì)如圖3和圖4所示，兩側(cè)長(zhǎng)度方向的框架內(nèi)分別設(shè)有進(jìn)水通路和出水通路。在進(jìn)水通路的首端設(shè)有進(jìn)水嘴，進(jìn)水通路的另一端封閉；在出水通路的末端設(shè)有出水嘴，進(jìn)水通路的另一端封閉；進(jìn)水嘴、出水嘴位于底板的同側(cè)。集成水道底板內(nèi)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。

圖3 冷卻液流向示意圖

圖4 冷卻水路結(jié)構(gòu)示意圖

冷卻液流向如圖3中箭頭所示，首先冷卻液通過進(jìn)水嘴進(jìn)入進(jìn)水通路，通過分底板的孔位進(jìn)入到集成水道底板內(nèi)部的水道中，從分底板另一側(cè)孔位進(jìn)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(dǎo)熱墊→下箱體→冷卻液，通過冷卻液的循環(huán)對(duì)模組進(jìn)行冷卻或者加熱[9]。

圖5 熱管理仿真模型示意圖

選取典型評(píng)價(jià)工況——夏季快充工況來評(píng)估集成式水冷系統(tǒng)的冷卻效果。流動(dòng)邊界設(shè)定見表1。

表1 夏季快充工況的冷卻邊界和溫控目標(biāo)

模組類型為355模組-軟包，模組例圖如圖6所示，模組的產(chǎn)熱邊界設(shè)定見表2。評(píng)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。

圖6 模組例圖

表2 模組參數(shù)信息

計(jì)算結(jié)束后觀察整包的溫度場(chǎng)分布(見圖7)，溫度梯度合理；對(duì)模組進(jìn)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(nèi)，滿足高溫?zé)峁芾淼囊蟆?/p>

圖7 整包的溫度場(chǎng)分布情況

圖8 模組高度斷面上溫度差異

4 結(jié)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(shì)，在鋁合金型材內(nèi)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(dú)冷卻系統(tǒng)的開發(fā)及制造，簡(jiǎn)化了冷卻系統(tǒng)生產(chǎn)裝配工序，從而降低了電池殼的生產(chǎn)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(cè)，減少了由于傳統(tǒng)電池殼體內(nèi)部冷卻管路發(fā)生漏水問題導(dǎo)致模組短路等風(fēng)險(xiǎn)。

該電池下殼體采用鋁合金型材方案，對(duì)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(dá)到60 Hz以上，模態(tài)較傳統(tǒng)鋼制電池殼體上升明顯[10-11]。