电池液冷系统的设计终稿

1、摘 要摘 要电动汽车因其节能环保的优点已成为当今汽车产业发展的潮流。但是，电动汽车的电池包在使用过程中的发热现象是一个值得注意和研究的问题。其热量的存在不仅影响电池的性能，而且存在着安全问题。因此电池包的热管理系统是电动汽车和混合动力在所有的工况和环境下安全有效行驶过程中必不可少的辅助系统。本文第一部分探讨了课题研究的意义以及国内外的研究现状；第二部分简单的介绍了动力电池的特点（以镍氢电池为例）和电池包的散热技术；第三部分针对电池包的结构设计提出了一些具体的设计流程、要求以及参数确定；第四部分以某新能源科技有限公司生产的高性能镍氢动力电容电池-NMCH300S为例运用Pro/E三维软件对电池箱

2、体建模，并用Auto-CAD绘制机械工程图；第五部分运用有限元ANSYS软件对箱体强度校核；第六部分介绍电池冷却系统的其他设备。本论文总结电池散热系统的冷却方式，运用三维建模软件设计出了电池包的机械结构并绘制出了电池包的机械工程图，并校核了电池包满足其基本的强度要求。关键字：液冷散热系统，动力电池，箱体设计，强度校核- 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 录目 录第一章绪论- 1 -1.1课题的提出- 1 -1.2课题的研究意义- 2 -1.3电动汽车电池包国内外的研究现状- 2 -第二章 动力电池冷却技术简介- 6 -2.1镍氢电池的特点- 6 -2.2MH/Ni电池模块工作时的发热量- 6 -2.3主动系统和被动系统- 7 -2.4电池包的散热技术- 7 -2.4.1空冷- 8 -2.4.2液冷- 8 -2.4.3冷板散热- 9

9、-2.4.4相变材料与热管- 9 -第三章 电池包的设计流程- 11 -3.1电池包设计的要求- 11 -3.2电池包设计的流程- 12 -3.3电池包参数的确定- 12 -3.4电池包型材的选择- 13 -3.5电池包结构形状- 14 -第四章 电池包的三维造型与制造工艺- 17 -4.1基于Pro/E的电池箱体三维造型方法- 17 -4.2电池包其他零件- 21 -4.3电池包的装配- 22 -4.4电池包的制造工艺- 23 -第五章 电池箱的强度校核- 25 -5.1强度理论- 25 -5.2有限元ANSYS简介- 25 -5.2.1ANSYS模块- 25 -5.2.2ANSYS架构-

10、26 -5.3模型与有限元分析- 27 -5.3.1IGS文件的生成- 27 -5.3.2模型的材料与约束- 28 -5.3.3模型的网格划分、施加载荷和边界条件- 28 -5.3.4电池箱体模型的有限元分析- 30 -5.3.5箱体强度校核- 31 -第六章液冷系统的其它设备- 33 -6.1微型控制器和温度传感器- 33 -6.2冷却液泵和风扇- 33 -6.3电控三通阀- 34 -6.4散热器- 34 -6.5不燃绝缘冷却液- 34 -6.6冷却液管道- 35 -6.7加热系统- 35 -总结与展望- 36 -第一章 绪 论第一章绪论课题的背景和意义为缓解日趋严重的城市环境（尤其是大气）

11、污染和不可再生能源的枯竭，全球气温上升的危害加剧等问题的不断加深，电动汽车已经成为汽车行业的热门话题。各国政府和国内外汽车企业都普遍认识到电动汽车产业发展的重要性和紧迫性。发展电动汽车从根本上解决汽车产业涉及上述问题最佳解决途径。最终实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的战略性转移。目前，电动汽车发展的仍然存在诸多的技术瓶颈有待解决或突破，如电动汽车电池问题、安全问题、电机驱动及传动技术、控制技术、汽车轻量化、车体外形设计、电动车标准、充电站基础设施建设、以及电动车成本以及销售方面等方面。尽管存在诸多问题，但是电动汽车产业发展已成为一个必然的发展趋势。1.1 课题的提出动力电池是电动

12、汽车的力量之源，它不仅为电动汽车的驱动电机提供电能，将通过驱动电机将电能转化为机械能，通过直接或间接（传动装置）驱动汽车车轮，而且还为汽车上的其他辅助设备以及娱乐设备提供必要的电能。根据电池对电能的储存方式和工作原理，动力电池可以分为一次电池、二次电池、燃料电池、储备电池。就目前研究和使用状况来看，二次电池盒燃料电池在电动汽车上应用的最为广泛。二次电池中包括铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、锂电池、锂离子电池等。其中镍氢电池具有无污染、大功率、高蓄能、重量轻、循环使用寿命长而体积小的优良特性，同时还具备无记忆效应的优点。动力电池安装到电动汽车行驶过程中，电池的工作状况和使用寿命不仅与电池本身的结构

13、和原理有关系，而且与其工作环境有密切联系。恶劣的外界环境和错误的使用的方法都会给电池本身产生极大的危害，严重时导致电池无法正常工作，此时需要为电池设计管理系统，以实现对电池组的监控、管理、保护和报警等功能，实现电池的自动维护，从而提供电池组的使用效率和使用寿命。本课题主要是针对电动汽车（客车）电池包长时间工作在比较恶劣的热环境中，将降低电池性能， 缩短电池使用寿命，同时电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块之间性能的不均衡。电动车行驶过程中，镍氢电池处于不断的充放电状态，同时电化学反应的过程，所以电池在该过程会产生大量的热量，然而电池的性能受气环境温度（镍氢电池的最佳工作温度为20&#

14、176;40°之间，模块间的温度在5°以下）因素的影响极其的敏感，因此需要一套热管理系统对其进行恒温控制。当车辆在交替变换的复杂的工况下行驶时，电池的放电的倍率随之改变，相应的电池生热效率也有所不同，再加上时间的积累以及个单体电池的温度的差异性使电池中热量不均匀的聚集，从而导致电池组中运行环境复杂多变。再者在低温环境下，电池内部的电化学反应由于受温度影响也不能正常的运行，需要对电池组进行加热。因此为了能使电池充分发挥其性能的优越性并延长电池寿命。本课题主要是设计电池组热管理系统的机械结构层面来解决电池包热管理问题-即合理的设计电池包的散热/加热系统的结构。1.2 课题的研究

15、意义电池包的热管理是电动汽车在所有气候条件下有效运行必不可少的辅助系统。电池液冷系统是电池包热管理的一个核心的机械部分，其良好的设计理念对整个系统乃至整个电动汽车的发展都有实质性的突破。优秀的设计方案不仅能提高电池包的散热效率，减轻汽车的重量，还能更好的保证电动汽车的安全性和使用寿命。动力电池液冷系统是电动汽车电池管理系统的一个重要组成部分，散热、加热高效均匀，结构简单简洁，价格适中且实用的电池液冷系统不仅为电动汽车电池组提供一个安全稳定的工作环境，还可以降低电动汽车的成本，对电动汽车的产业化，市场化发挥重大的作用。1.3 电动汽车电池包国内外的研究现状电池包作为汽车上的动力源，为电动汽车提供

16、电池包作为汽车上的动力源，为电动汽车提供运行所需的能量。除了选取合理的电池，还要设计合理的结构装载电池，同时能够有效地监测管理电池的运行，从而保证电动汽车的正常运行。根据电动车辆类型的不同，电池包的结构设计、所装载电池的选取、以及管理系统的设计都大不一样。目前国内外都在积极地研发合理的电池包，提高电动车性能。除了需要电池研发专家提高单体电池的性能，也需要我们合理的设计电池包结构装载电池组以提高电池成组后性能，保证电池组能够适应车辆的实际运行模式，尽可能的是电池单体处在最佳的运行环境中使用并且能发挥其最佳性能。随着镍氢电池技术的发展，使得以前制约电动车发展的蓄电池的性能基本上能满足电动车的行驶需

17、要。镍氢电池的比能量有了很大提高，生产电池的材料与蓄电池的结构也取得了很大进步。使用新型电池的电动汽车的加速性能完全能达到或超过今天燃油车的高水平。但是目前研究和试验表明单体电池串联或并联形成电池组后，其性能出现急剧的衰减，导致单体电池无法发挥出其本身的最佳性能。此外，基于目前老旧类型的电池的充放电技术，以及缺乏管理系统使得电池包性能受影响颇大。电池的一致性是很大的问题，能量上存在很高的回收率，且生产工艺的差异性，电池本身之间就存在着差异，电池的容量和充放电性能均存在差异。电池成组后，电池组内电池性能不一致，随着时间的推移和使用次数的增多，电池间的差异越来越大，由于电池一致性较差最后导致电池组

18、整体性能大幅下降。因此国内外目前除了在加紧研发新型电池技术外，还在积极的研究电池管理系统。其中很重要的就是电池包的热管理系统，以及SOC估计这两项核心技术。因为电池管理系统就是基于SOC估计以及电池热管理技术上的。从而来提高电池的一致性，增加电池包的寿命和性能。其中电池包热管理对于电池的一致性影响较大，目前在电池包的设计中关注较大。目前电动汽车的散热方式中，根据不同关系有不同的划分方式。根据电池与外界环境的关系，将冷却方式划分为主动冷却和被动冷却。现在的研究中，被动冷却系统是主要的散热方式，但是电池处在变化的环境加上电池本身的影响，电池受外界环境影响很大，只能在某种程度上缓解电池的散热情况；主

19、动冷却方式可以根本上摆脱外界环境对其产生的影响，可以按照电池需要设置电池的工作环境，可以保证合适的工作温度。美国再生能源实验室做了许多有关电动车能源储备的研发，并针对电动车适用的镍氢电池做了相当多的研究和实验。并且运用相关计算机辅助工具和实验来分析研究电池包的各种性能。同时也特别针对电池包热管理方面做了很多的研究。除了考虑到散热设计，还考虑到电气设计分析与控制。美国能源实验室对电池的计算电气模型进行了简化，已经开发出电池模型用于仿真计算。正在开发综合性的计算机辅助工程软件工具来推进电池包结构的合理设计。通过资料记载和有关信息表明，目前国外许多著名汽车厂商或电池厂商对动力电池本身特性、原理和电池

20、的管理系统（热管理系统和电池组管理）的研究投入的力度较大。国外研制高功率镍氢电池的公司主要有日本三洋电机株式会社、松下EV电池公司、美国的Cobasys公司、德国的Varta公司和法国的Saft公司等。另外，日本的蓄电池公司、古河电池公司、东北电力公司、汤浅公司及韩国的现代汽车公司等都在积极的研发电动汽车动力电池。随着国外电动汽车的迅猛发展，我国电动汽车产业的发展也开始发展起来。在我国科技工作者的共同努力下，中国电动汽车用镍氢电池的技术正日趋成熟。中国很多单位一直从事电动汽车用镍氢电池的研究，中科院上海微系统与信息技术研究所长期从事镍氢电池及相关材料的研究与开发，北京有色总院、中山电池公司、湖

21、南神州科技、春兰集团、鞍山三普等单位均从不同的角度做过大量积极有益的工作，均取得了很大的进展。与锂离子电池相比，从1992年发展至今的镍氢电池被认为是“成熟”的技术，但目前仍有不少因素制约其实际运用，包括高温性能、贮存性能、循环寿命、电池管理系统、热管理和价格等。上述不确定因素和技术瓶颈导致电动汽车无法顺利的实现大面积的普及和推广。但是就目前情况和实际调查研究显示，电动汽车电池的热管理技术还有待加大研究的力度，在混合动力汽车HEV上普遍采用的空冷技术且发展的相当成熟。由于纯电动汽车采用电池作为唯一的动力源，电池发热量和速率均比混合动力汽车高，采用风冷很难控制电池的环境温度，而液冷技术复杂性，其

22、并未得到很大的采用。所以设计出高效而结构简单并实用的液冷散热系统需要科研工作者做出更大的努力，为电动汽车的发展贡献一己之力。第二章 动力电池冷却技术简介第二章 动力电池冷却技术简介2.1 镍氢电池的特点镍氢电池的正极采用金属氢氧化镍，负极采用的是锡氢合金。镍氢动力电池具有无污染、大功率、高必能、重量轻、循环使用寿命长而体积小的优良特性，同时镍氢电池不含有镉、铅等有毒重金属。镍氢电池的主要特点:u 质量比功率高：目前商业化的镍氢功率型电池能做到1350Wh/kg.u 无污染，不含铅等对人体有害的重金属，是21世纪的“绿色能源”。u 耐过充过放u 无记忆效应u 循环次数多：目前应用在电动车上的镍氢

23、动力电池，80%放点深度（DOD）循环可达1000此以上，为铅酸电池的3倍以上。100%DOD循环寿命也在500以上u 使用温度范围宽：正常的使用温度范围-3050；贮存温度范围也在-4070u 安全、可靠：短路、挤压、针刺、安全阀工作能力强、跌落、加热、耐振动等安全性试验无爆炸、燃烧情况综上所述镍氢电池作为电动汽车的能源是比较理想的，同时随着能源枯竭和动力汽车的不断发展，镍氢电池的技术越来越成熟，镍氢动力电池的发展前景是可观的。2.2 MH/Ni电池模块工作时的发热量MH/Ni电池充放电过程是由主、副反应组成的一连串的化学反应。充电时，电池的上述两种同时存在，且均为放热反应，其中充电前期发生

24、主反应，放出大量热量，电池温度逐渐升高；后期主副反应同时存在，此时温度上升的速度明显加快；放电时，主反应是吸热反应，副反应时间极短，可以忽略不计。电池的单位发热量按式（1）、（2）计算 （1） （2）上两式（1）、（2）中，和分别代表充电和放电的发热量，I为电流，为电池的内阻。，电池生热量与电流和电池内阻有关。电动汽车在不同运行状态下，电池的工作状态不同，生热速率也不同。电池产生热量的主要由电池的种类、电池的工作状态、电池SOC（荷电状态）及电池的工作环境等。主要是因为电池生热率受工作电流、内阻（由（1）、（2）式）及荷电状态相关。2.3 主动系统和被动系统主动系统和被动系统的区别主要在于是否

25、额外的增加能耗性设备辅助电池包的散热/加热系统。被动系统由于无需采用额外的设备，一般通过自然风冷的形式，所以其成本较低且结构简单，在早期的电动汽车上应用的比较广泛。随着电动汽车的不断发展，电池包容量的增大，仅通过电池包本身周围空气传热已无法满足电池的散热量，并且无法对电池加热，满足汽车的需要。因此，电池包开始采用主动形式的散热/加热系统或者主被动结合使用，能够灵活利用能量的流动，更大程度上减小能量的损失，只是结构上复杂一些。2.4 电池包的散热技术电池散热是源于电池本身的机理所决定的，电池在充放电的过程中发生的是电化学反应，在此过程中必然会伴随着放热和吸热的过程。但是由于电池包的结构和安装位置

26、的局限性以及电池工作环境的复杂性，电池产生的热量不能及时扩散，所以电池包有必要采取必要的散热技术来解决此问题。目前应用的主要的散热技术有空冷、液冷、冷板散热、相变材料或热管储热、空调冷却等方式。2.4.1 空冷空冷是目前电动车或混合动力汽车上应用最广泛的散热方法，也是最成熟的方法。其基本原理就是通过风扇运行产生强制气流或者利用汽车前进中迎面风。与其它方法相比，空冷结构相对简单、安全、维护也较方便。日本丰田公司的混合动力汽车Prius和本田公司的Insight均采用的空冷方式。目前空冷通风散热方式有串行和并行两种方式（如图2-1）。图2-1上述两种方式很难避免会出现空气流量的不一致性，同时冷却效

27、果会随着气流的运动，流体和电池的温差逐渐减小，热交换能力逐渐减小，冷却空气的温度不断升高，导致冷却效果的变差。同时，不同的电池单体在制造过程中会出现一定的差异性，其发热能力的存在差异性，而且由于空气与固体的导热系数相比其他方法也是较低。2.4.2 液冷液冷就是利用导热率相对较高的液体间接或直接的接触电池实现固体与液体间传热方式来降低电池温度的方法。液冷氛围直接接触式和间接接触式两种。间接接触式的液冷系统中，液体在管道内流动，通过翘片等于电池直接接触，将热量通过翘片传递给冷却管道内的液体，从而将电池的部分热量带走，达到冷却电池的目的。由于液体是密封在管道内，所有绝缘的要求相对要求低一些，且没有流

28、速限制，所以可以选用导热率高但是电绝缘性不好的液体，换人效果非常好。但温度的均匀性要差一些。为了防止泄露造成的短路，这种方法的密封性要求非常高。直接接触式的液冷所采用的是电绝缘且热导率高的液体（例如硅基油、矿物油等）直接接触单体电池或电池模块。它能够很好的解决电池温度均匀性的问题，但是由于液体的绝缘性非常高，所以该液体的黏度较大，所以液体在电池包流速较低，从而也从一定程度上限制了换热效果。液冷方式对电池包热交换效率很大程度上取决于液体的热导率、粘度、密度、液体流速、流体流过电池的方式以及流体与电池的接触面积。液冷方式的主要优点是：u 与电池壁面间的导热系数高，冷却和加热效果好；u 体积较小。对

29、于纯电动汽车和串联式混合动力汽车，电池组作为主要的动力部件，生热量大。对于生热量大的动力电池，若想获取较好的散热方式，液冷方式不愧为最佳方式之一。液冷方式的主要缺点是：u 结构相对复杂，系统的质量相对较大，需要增加额外的辅助部件；u 密封性要求较高，存在漏液的可能，并且维修和保养复杂。目前此技术还不是很成熟。整体式的液冷系统（特别是电池模块多的电池包）不但能使电池整体的散热效果，还能实现单体电池间温度均匀分布，对电池容量均衡控制也有一定的帮助。2.4.3 冷板散热其实质采用高导热材料直接贴在电池表面，能够很好地强化聚不散热，在模块间使用冷板可以提高散热的效率及模块间温度的均匀性。我们可以根据实

30、际情况设计冷板的尺寸和形状，但由于冷板的使用会增加成本和体积，我们可以考虑在重点发热区使用此方法。2.4.4 相变材料与热管相变材料是随温度变化而改变形态而改变形态并能提供潜热的物质。相变材料正是通过相变的过程吸收或释放大量的潜热。热管则充分利用了热传导原理与致冷介质的快速传递性质，通过热管将电池表面的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何一支金属的导热能力。相变材料与热管的结合实现了电池热量的交换，从而保证电池温度处在动态的稳定范围。热管是一种密封结构的空心管，一端是蒸发端，另一端是冷凝端，管中充满蒸发时恩能传递热量的液体和冷凝时将液体带回吸液芯。因此热管是一种效率很高的热传导器。其最大的

31、优点是保证电池包能在任何温度下工作。第三章 电池包的设计流程第三章 电池包的设计流程第三章 电池包的设计流程3.1 电池包设计的要求为达到对电池进行能量管理的目的，单体电池必须装配在一个整体的密封箱体内，同时该箱体还应保证密封，该箱应具备一定的条件和要求：1.电池箱体必须是密封的。除必要的液体出入口外不能与外界相通。密封箱体内的要求主要考虑电池冷却液额流动问题，不许在某处泄露，从而避免冷却液体的流动性差导致单体电池工作温度的不一致，致使电池性能的降低。2.电池箱体的形状应达到与单体单体电池模块的形状相适应。当冷却系统工作时，液泵提供的液流量能均匀的流过每个单体电池周围，箱体内不能形成液流的“死

32、区”和涡流的存在，保证电池单体工作过程中温度均匀，尽可能的控制电池性能的一致性。这也从根本上防止了个别单体电池寿命的缩短。3.电池箱体应能保证冷却液体与电池的绝缘，车身与箱体绝缘，防止存在电池与外界接触可能性而存在安全隐患。4.单体电池的质量达到6.4Kg/块，将电池单体整合后其质量将达到数吨，如此大的质量必然对箱体的强度、刚度和疲劳性具有一定要求，必然对其进行强度校核5.单体电池的通气孔保证在电池液面上方，保证电池工作过程中正常的换气而不影响电池性能的发挥。6.如何设计不燃绝缘冷却液在电池箱体中的液流方向使得冷却效果达到最佳，其中关键是让更多冷却液接触电池表面。综上所述，箱体零件在一台机器中

33、占有很大的比例，同时在很大程度上影响着机器的装配精度和抗振性能等。正确的选择箱体零件的材料和正确设计其结构形式及尺寸，是减小机器质量、节约金属材料、增强机器刚度的重要途径。3.2 电池包设计的流程电池包相关的参数确定之后，根据电池的形状、性能参数、车身的空间布置等来确定电池包的结构形状和冷却形式。除了满足上述功能性的参数后，还需从箱体工作性质校核箱体的刚度、强度，设计其制造精度。电池包的设计流程图如图3-1所示：箱体结构设计三维软件设计有限元校核不合格安全性和功能性的分析方案布置图3-1设计流程图3.3 电池包参数的确定根据电动公交车的内部空间和电动车的功率的需求，我们采用的是开关磁阻电机。通

34、常我们要以公交车的最高车速为基本条件来选取驱动电机的功率。而电机的转矩越大，则电动车的整车爬坡性能越高；电机的转速越高，则电动车的最高车速越大。动力电池的选型需要综合考虑电动车的整车性能和动力系统的匹配。本论文课题采用的是某新能源科技有限公司生产的高性能镍氢动力电容电池-NMCH300S。该电池的性能参数如下表3-1所示：表3-1 电池性能参数电池类型动力镍氢电池电池标称电压1.2V电池容量300Ah电池重量6.4Kg工作温度-4555（）循环寿命10000（次）最大充电电流6000（A）最大放电电流9000（A）本课题采用的镍氢电池组的参数如表3-2所示：表3-2 电池组的组合参数连接方式串

35、联散热方式液冷单体电池数量30编组方式串联3.4 电池包型材的选择对于本课题所设计的电动客车电池包（液冷形式），由于电池包处在的工作环境非常复杂。电池的质量决定了电池包的强度和刚度足够大；车辆在行驶过程中出现加速减速转弯等，电池包具备一定的冲击能力和耐疲劳特性；此系统采用的液冷形式，需与绝缘冷却液接触，材料还需抗腐蚀能力；电池箱体在制造的过程中，制造工艺上还需具有良好的焊接性能；考虑到车辆的整体质量和成本，经济性的情况下尽可能减轻箱体的质量。通过查询机械设计使用手册，比较各种材料的特性和用途，采用硬铝合金2A12（原LY12），其切削加工性能在失效状态下良好，耐腐蚀性中等，焊接性能好，适宜做高

36、载荷零件和构件。因此，此材料是不错的选择。3.5 电池包结构形状箱体常采用的截面形状有矩形、空心矩形、空心圆形、工字型。在面积相等时，空心矩形截面弯曲强度不及工字形截面，扭曲强度不及空心圆形截面，但它的扭转刚度大得多，而且采用空心矩形截面的机架和电池包的内壁上易装设其他机件。综合考率到箱体的重量、制作成本，采用矩形截面的铝板。通过校核后，如不符合强度等结构性能，则选用强度高一些的型材。3.5.1 壁厚壁厚直接影响电池包的强度和刚度。首先，采用经验法或类比法确定壁厚和其他结构的尺寸，与同类产品进行比较参照设计这的经验或设计手册等资料提供的经验数据确定初步的壁厚，再用有限元法（ANYSIS）计算器

37、强度和刚度，经过不断的修正，获得合理的尺寸。初步选取厚度为5mm。目的是保证箱体的质量和强度的情况下进行优化。3.5.2 肋板和加强筋鉴于电池包箱体的结构特点，为改善箱体的刚度，尤其是箱体壁厚的刚度，电池包将采用分布于内壁上的凸板作为加强肋，同时加强肋还起到了液流密封的作用；在箱体底板上设置横向筋板。考虑到电池在工作时会有一定的膨胀，电池在装配后需要对其预留一定的空间满足其外形的变形，而在加强肋板上加工出燕尾槽，燕尾槽平直密封条嵌入后能满足了电池变形的要求，同时增加了密封性能。在箱体的四个角上，其强度要求高，受力工况复杂，并且此处采用的焊接工艺，无法保证足够的强度，因此设计初加上加强筋。在电池

38、箱体增加的冷却液加热箱，为了能够承受电池箱体的重量，同样在加热箱的周围布置一定数量的加强肋板，以增强其承受能力。3.5.3 单体电池的固定方式电动汽车在行驶过程中，单体电池定位及安装不仅设计单体电池模块的更换机维护，而且设计到整个电池组的安全运行。考虑到电池箱体在制造、安装、联接以及定位和液流走向等因数。设计过程中考虑将30块单体电池分成3列，每列安装10块单体电池，将其水平紧凑的镶嵌在电池箱体底座内，电池上部通过固定特制的框架将电池的四周限制，然后用螺栓将框架与电池箱体固定。从而确保电池单体各个方向的固定。电池箱体的剖面图如图3-2所示。图3-2 电池固定模块由于单体电池在充放电的过程中，电

39、池会有一定的膨胀量。因此在固定单体电池时，单体电池和箱体之间不能刚性接触，需要给电池预留足够的间隙-弹性体连接。其压缩量恰好作为设计公差体现。第四章 电池包的三维造型与制造工艺3.5.4 箱体密封的设计箱体密封主要考虑到三个方面的密封设计：u 箱体外部的密封。即箱体是由铝合金板焊接而成，主要保证焊缝的密封性，并保证焊缝满足一定的强度和刚度要求。u 由金属材料的性质，采用不熔电极氩弧焊，由于有气体的保护作用，使热量集中，熔池小，焊速快，热影响区较窄，焊接变形小，电弧稳定，飞溅少焊缝致密，表面无熔渣、美观。生产效率高，焊接费用中等水平，适用于硬铝合金的焊接能保证箱体在复杂载荷条件下工作。u 箱体盖

40、和电池固定支架的密封，保证液体在车辆行驶过程中冷却液体不会泄露或飞溅出箱体外。通过电池和上支架表面的间隙配合实现密封。u 电池箱体内部液流密封箱体壁与电池之间弹性密封。此密封采用的静接触型梯型平直密封条。具体结构如工程图DCYLXT-31所示。由于电池自身膨胀，自动增大电池与密封条的接触压力，增强密封性能。 第四章 电池包的三维造型与制造工艺随着计算机技术和机械工业技术的发展，CAD技术已经发展成为一项成熟的机械生产技术不可或缺的一部分。它不仅要具有工程及产品的分析计算、仿真与试验、几何建模以及绘制图形、工程数据库管理和生成设计文件等功能。伴随着计算机硬件性能的提高，CAD技术也飞速的发展。目

41、前，CAD技术已广泛应用于工科行业，如飞机、汽车、船舶、建筑、机械等。但是CAD技术在机械行业应用的更广。电池箱体是电池散热系统的重要组成部分，也是该系统的主要的工作环境。其强度和刚度对电池包的装配和配合关系对电池冷却液体的流动起着决定性的作用。箱体设计造型过程中缺乏科学合理的设计步骤，无法对箱体的结构应力，因此常采用安全系数偏大的，导致箱体体积和质量过大，既增大制造成本，还增加车身的重量。本课题的电池箱体采用Pro/E三维造型，将实体模型导入ANSYS有限元分析，对模型进行校核。4.1 基于Pro/E的电池箱体三维造型方法Pro/Engineer是美国参数公司开发的参数化三维建模软件，是目前

42、CAD行业主流软件制造商之一。可以利用其强大的三维实体建模功能完成箱体的三维造型。Pro/E拉伸的步骤：首先绘制二维草绘图形；点击【拉伸】，调整拉伸长度，完成拉伸1；点击菜单【拉伸】【放置】【定义】，选择正确的草绘平面，绘制合理的二维图形确定正确的拉伸长度，选择是否去除材料，完成拉伸。1.创建箱体的外部结构。在Pro/E软件中建立零件（.prt）文件。通过五次的矩形拉伸可以得到一个箱体（748*440*310）。如图4-1所示。2.先草绘758*450的二维矩形，拉伸5mm厚度作为电池箱体底板；然后在底板边缘草绘四个矩形拉伸箱体边（两个758*5和两个440*5），拉伸长度为310mm。图4-

43、13.创建箱体底部固定槽。选取箱体内底面作为拉伸草绘平面，然后绘制突出物体（固定箱体左右和前后移动），按照拉伸的步骤，拉伸长度为10mm,完成固定槽拉伸；按照液流的S型流向，按照同样的方法拉伸出导流块，其厚度为20mm.其模型如图4-2所示。图4-24.加强筋的制作。分别在箱体的四个角上焊接上加强筋以增强箱体强度和刚度。方法同上绘制出圆弧过渡的截面形状，拉伸截面，生成如图4-3的实体模型。 图4-3 箱体5.螺纹固定孔该特征不是拉伸特征。采用Pro/E特有的螺纹特征。步骤：【插入】【修饰】【螺纹】，弹出对话框如图4-4所示。 图4-4 螺纹参数设定面板 图4-5 固定螺孔布置设置图4-4中的参

44、数制作出螺孔：螺纹长度为10mm；主直径为5mm.在箱体底部电池中间的液流槽上分别修饰出如图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。由于无法找到此密封槽的尺寸，根据箱体的实际需要，自行设计了一个密封槽（尺寸参数：10*20*8）。其截面形状和实体模型分别如图4-6和图4-7所示。图4-6 密封槽截面图 图4-7 导流块与密封槽7.导流块上的固定螺孔按照第五点的步骤将在每一个导流块的表面上【图4-6】修饰出深度为35mm螺纹孔。用于固定电池的上下的位移。8.电池箱底部的冷却液池冷却液池的尺寸为748*440*50。与电池箱体焊接为一个整体，由于顶部承载有电池包重量大

45、，需要在箱体壁上布置加强筋以增强箱体的承载能力。利用【拉伸】特征，箱体的长度方向分布与导流块一致；宽度方向两侧均为40*20*50的加强筋。图4-8箱体底部的轮廓线标明结构特征。图4-8 电池箱加强筋轮廓图利用Pro/E的三维实体建模功能完成了电池箱体的造型。其实体模型如图4-9所示。图4-9 电池箱体模型4.2 电池包其他零件电池包除了箱体外，还有电池、固定螺栓、固定上支架、中间压块等组成电池包的零部件的实体建模。最后利用Pro/E的【组件】特征，将零部件装配成整体电池包。1) 动力镍氢电池是采用外形尺寸为280*120*60（极柱高25mm），如图4-10所示。2) 电池上支架镶嵌在电池的

46、顶部，如图4-11所示。3) 电池固定螺栓M5*0.8（L为285mm） 图4-10 上支架 图4-11 单体电池 4.3 电池包的装配打开Pro/E界面，单击【文件】【新建】对话框，选择【组件】按“确定”进入组件界面。添加零件的步骤：1.点击右下角的，选择文件名xiangti.prt的文件调入装配窗口（第一个文件约束条件默认为缺省）；2. 同样点击右下角的，选择dianchi.prt文件，利用Ctrl+Alt+鼠标中间键或右键移动此文件至合适的位置；3.添加约束条件：点击左上角的【放置】按钮，选择自动/匹配/对齐/插入等约束条件，使电池底面与电池箱的底槽重合，直至完全约束。4.装配约束条件完

47、后，单击右上角图标，即可完成。5.电池的阵列：选中电池，单击窗口右侧的，选取【方向】，阵列尺寸方向分别为为72mm和140mm，即可完成。6.电池上支架和固定螺栓：采用上述同样的方法即可将其完全约束。图4-12为电池包的整体装配模型。图4-12 电池包模型图4.4 电池包的制造工艺电池包的工程图是电池制造过程的第一步，它能清楚的表达箱体的结构形状、装配关系、工作原理和技术要求。电池的制造工艺是机械工业从理论向实践转变过程。工艺要求是箱体制造过程中需遵守的规则，以便能满足箱体的使用性能。（具体的工艺要求见机械工程图）1.电池箱体采用硬铝合金板，其粗糙度Ra3.22.按焊接箱体的图纸进行小件下料，

48、并且打好焊接的坡口（30°）；3.按图纸要求制作好密封条、橡胶块和固定螺栓等；4.按图纸要求制作好加强筋及其上的焊接坡口；5.栽制箱体板是预留35mm的的切削加工余量用于制作坡口。6.焊接前，采用氩弧焊打底工艺，可以保证焊缝良好的工艺性能和力学性能。做好准备后即可按照工程图纸要求制作箱体。焊接后，为消除焊缝的内应力，应经时效处理第五章 电池包的强度校核第五章 电池箱的强度校核5.1 强度理论强度理论是判断材料在复杂应力状态下是否破坏的理论和准则。材料在外力的作用下有两种不同的破坏形式：一是在不发生显著塑性变形时的突然断裂，称为脆性破坏；二是因发生显著塑性变形而不能继续承载的破坏，称为

49、塑性破坏。箱体结构装配后在使用的过程中，其受到不同程度的载荷作用，并且应力状态非常复杂。此时，箱体必须承载来自箱体内外的负荷，抵抗外载的破坏能力，但是这种能力有限度的，即箱体的许用应力；为保证箱体的正常的配合间隙，箱体在外力作用时必然发生固定尺寸和形状的变化，即箱体的许用变形。本课题研究的是箱体在静力载荷下箱体的变形理论。其强度和刚度及其稳定性需要满足其在固定载荷下，能保持一定的配合间隙。利用有限元结构分析方法对其进行刚度和强度的计算校核。因此，有限元分析的目的就是要保证或提高箱体的强度；若不符合要求，则需进行优化设计和改进方案，以达到设计的整体要求。本箱体结构不是很复杂，属于焊接箱体，但是其

50、受到的工况载荷比较复杂，其工作环境比较复杂，并且变化无规律性；作为主要的受力部件，难以用经典力学的方法进行求解。因此本课题采用了有限元法对电池箱体进行静力学分析。在分析计算中，以Pro./E三维制图软件建造三维的实体模型（已在第四章进行了详细的概述），根据载荷工况，使用有限元分析软件ANSYS，计算出箱体在特定载荷条件（典型的载荷工况，如均布载荷、）的应力和应变的分布情况。及箱体的各个地方的强度状况。在对结果计算进行了分析后，确定箱体是否能够满足强度和刚度要求。5.2 有限元ANSYS简介5.2.1 ANSYS模块ANSYS是美国ANSYS公司设计开发的一个融结构、热、流体、电、磁、声学于一体

51、的大型通用的有限元分析、优化与计算软件。目前广泛应用于机械制造、航空航天、汽车交通、国防军工、土木工程、电子电器等工业研究领域。ANSYS软件提供的功能清单有自适应网格划分、结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、接触分析、设计优化以及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令。ANSYS最基本的模块包括前处理、求解器以及后处理三大部分。其要应用模块有Multiphysics、Mechanical、Structural、Linear plus、Thermal、Preppost、ED、FLOTRAN、Emag、LS-DYNA等模块。其中Multiphysics是目前应用范围最为广阔的软件包，是

52、一个多物理耦合的分析程序，用户不仅可以对诸如结构、流体、电磁、热等进行单独研究，而且可以将这些综合起来的相互影响进行研究，从而为设计分析功能提供了一个模拟真实问题的平台；Mechanical模块提供了工程分析和设计优化功能的环境，可以进行完整的结构、热、压点及声学分析，可以用来确定模型的位移、应变、应力、温度、压力分布、作用力以及其他重要的设计标准，是一个强大的设计校验工具。此模块应用于本课题中解决电池箱体的强度和刚度结构问题。5.2.2 ANSYS架构ANSYS构架分为两层：一是起始层（Begin Level），二是处理层(Processor Level)。如果输入一个操作命令后，通过起始层

53、过滤和分流，接着进入到处理层中不同的模块程序中求解器。求解器接收到命令组合代码执行特定的指令，解决问题的一部分。1. 创建有限元模型1) 将IGS模型读入ANSYS中2) 定义材料的属性3) 划分网格2. 施加载荷并求解1) 施加载荷及设定的约束条件（结构负荷、边界条件等）2) 求解3. 查看结果1) 看分析结果（应变/变形、应力、等）；获取求解结果（应力云图和位移云图）2) 运用第四强度理论判断应力结果是否满足结构要求5.3 模型与有限元分析虽然ANSYS自带有建模的功能，但是该建模功能非常有限以及使用的方便性，笔者采用了Pro/E强大的三维建模功能对箱体建模。在建立模型过程中，可以对应力分

54、布不起主要作用的微小结构简化，忽略了过渡圆角和螺纹孔，然后建立好箱体的三维模型。如图4-9所示。5.3.1 IGS文件的生成IGS格式文件是CAD文件的一种通用格式，其实根据IGES标准生成的文件，主要用于不同三维软件系统的文件转换。此格式文件恰好在Pro/E软件和ANSYS软件之间起到了桥梁作用。这样既充分利用了Pro/E的三维造型功能，也很好的利用了ANSYS软件的强度分析功能，相互发挥了各自的长处。生成IGS文件的步骤：运行Pro/E软件并将xiangti.prt文件打开，接着单击【文件】【保存副本】，弹出对话框选择保存的类型为.igs,确定后弹出如图5-1的对话框，选择【实体】即可导出

55、IGS类型文件图5-1 IGS文件的转换5.3.2 模型的材料与约束根据设计的要求，电池箱体采用的材料是硬铝合金板（原LY12）。硬铝合金的弹性模量E=70GPa，泊松比，密度，其强度极限410MPa，屈服极限。在考虑约束条件时，不仅要考虑设计变量的约束，还要考虑静态特性的约束条件。其约束主要有三个方向：电池箱底部的表面荷载约束；箱体两端各施加一个力约束。5.3.3 模型的网格划分、施加载荷和边界条件将电池箱体IGS模型导入ANSYS的结构静力分析模块中，对模型进行网格划分（由于模型结构比较简单），采用的计算机自动生成有限元网格功能，由此生成节点和单元。其中网格类型为六面体20节点Solid186单元，生成的网格如图5-2所示。图5-2 网格图边界条件：此次校核未考虑箱体在客车形式过程中的动态载荷，而是结构静力分析，箱体水平的放置在车体后备箱体中，对其施加一个全约束。施加载荷：根据箱体的工作性质和环境，由于采用的液冷形式，箱体除了在电池重量作用的面载荷外，还需承受冷却液的载荷和冲击载荷。由电池参数值知单体电池的质量为6.4Kg，其底面积为为120*60，电池箱体电池槽中的压力为：电池箱体中除了电池压力外，还有电池冷却液对箱体的压强。有液体压强知识可知：考虑到车辆在行驶过程中，汽车存在急加速或急刹车的情况，液体在箱体中存在一个惯性的