电池液冷系统的设计终稿

经典word整理文档，仅参考，双击此处可删除页眉页脚。本资料属于网络整理，如有侵权，请联系删除，谢谢！摘要摘要。关键字：液冷散热系统，动力电池，箱体设计，强度校核IAbstractAbstractGiventheadvantagesofenergysavingandenvironmentalprotection，Electricvehicleshasbecomethedevelopmenttrendoftoday'sautomotiveindustry.However,theelectriccarbatterypackageinthecourseofthefeverphenomenonisworthpayingattentiontoit.Theexistenceoftheheatnotonlyaffectsthebatteryperformance,butalsobeasecurityproblems.Batterypackagethermalmanagementsystemisessentialauxiliarysystemsintheprocessofelectriccarsandhybriddrivingsafeandeffectiveunderallconditionsandenvironment.Thefirstpartdiscussesthesignificanceoftheresearchanddomesticandinternationalresearchstatus;thesecondpartdescribesthedynamiccharacteristicsofthebattery,suchasnickel-metalhydridebatteryandthebatterypackagecoolingtechnology;thethirdparttalksaboutthebatterypackageprojectandmainlycontainsthedesignofsomespecificdesignprocess,requirements,andparameters;thefourthpartspecifictalksaboutmodelingonthebattery-NMCH300SbatteryboxwhosebatteryproducedbycertainCo.,Ltd.ofhigh-performancenickel-hydrogencapacitor,anddrawsmechanicaldrawingswithAuto-CADsoftware;thepartVusesthefiniteelementANSYSsoftwaretocheckboxstrength;thesixthsectiondescribestheotherequipmentofthebatterycoolingsystem.Thispaperhavesummarizedthecoolingpatternofbatteryliquidcoolingsystem,used3Dmodelingsoftwaretodesignthemechanicalstructureofthebatterypackanddrewoutthebatterypackofmechanicalengineeringdrawings,andcheckedthebatterypackagestresstomeettheirbasicstrengthrequirements.Keywords:Liquid-cooledcoolingsystem,batterystructuraldesign,strengthcheckII目录目录第一章绪论...............................................................................................-1-1.11.21.3课题的提出..................................................................................-1-课题的研究意义..........................................................................-2-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.....................................................................-6-2.12.22.32.4镍氢电池的特点..........................................................................-6-MH/Ni电池模块工作时的发热量..............................................-6-主动系统和被动系统..................................................................-7-电池包的散热技术......................................................................-7-2.4.1空冷........................................................................................-7-2.4.2液冷........................................................................................-7-2.4.3冷板散热................................................................................-8-2.4.4相变材料与热管....................................................................-8-第三章电池包的设计流程.........................................................................-11-3.13.23.33.43.5电池包设计的要求....................................................................-11-电池包设计的流程....................................................................-11-电池包参数的确定....................................................................-12-电池包型材的选择....................................................................-13-电池包结构形状........................................................................-14-第四章电池包的三维造型与制造工艺.....................................................-16-4.14.24.34.4基于Pro/E的电池箱体三维造型方法.....................................-16-电池包其他零件........................................................................-19-电池包的装配............................................................................-20-电池包的制造工艺....................................................................-21-第五章电池箱的强度校核.........................................................................-25-III目录5.15.2强度理论....................................................................................-25-有限元ANSYS简介.................................................................-25-5.2.1ANSYS模块.........................................................................-25-5.2.2ANSYS架构.........................................................................-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....................................................................-33-6.16.26.36.46.56.66.7微型控制器和温度传感器........................................................-33-冷却液泵和风扇........................................................................-33-电控三通阀................................................................................-34-散热器........................................................................................-34-不燃绝缘冷却液........................................................................-34-冷却液管道................................................................................-35-加热系统....................................................................................-35-总结与展望.....................................................................................................-36-IV绪论第一章绪论课题的背景和意义1.1课题的提出，，20405---/-1-绪论1.2课题的研究意义1.3电动汽车电池包国内外的研究现状-2-绪论单-3-第二章动力电池冷却技术简介2.1镍氢电池的特点:质量比功率高：目前商业化的镍氢功率型电池能做到1350Wh/kg.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”。耐过充过放无记忆效应循环次数多：目前应用在电动车上的镍氢动力电池，80%放点深度（）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以上使用温度范围宽：正常的使用温度范围-30~50℃；贮存温度范围也在-40~70℃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2.2MH/Ni电池模块工作时的发热量12Q*I3.6*I*R（1）（2）2ctQ0.547*I3.6*I2*RdtQR为12Q和Icdt12-6-2.3主动系统和被动系统热//2.4电池包的散热技术和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。-7-与电池壁面间的导热系数高，冷却和加热效果好；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。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；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。-8-第三章电池包的设计流程3.1电池包设计的要求1.2.3.4.5.6.。3.2电池包设计的流程电池包的设计流程图如图3-1所示：-11-图3-1设计流程图3.3电池包参数的确定有限方案软件元校核析。不合格-12-3-1表3-1电池性能参数300Ah6.4Kg-45～55（℃）10000（次）6000（）9000（）最大充电电流最大放电电流表3-2电池组的组合参数单体电池数量编组方式串联3.4电池包型材的选择通过查询《机械设计使用手册》-13-3.5电池包结构形状3.5.1壁厚3.5.2肋板和加强筋3.5.3单体电池的固定方式33-2图3-2电池固定模块---3.5.4箱体密封的设计性，并保证焊缝满足一定的强度和刚度要求。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。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。DCYLXT-31膨胀，自动增大电池与密封条的接触压力，增强密封性能。-15-第四章电池包的三维造型与制造工艺4.1基于Pro/E的电池箱体三维造型方法Pro/E拉伸的步骤：11..prt4-12.。图4-13.S4-2为图4.4-3图5.4-4图螺纹参数图6.-17-图4-6密封槽截面图图4-7导流块与密封槽7.8.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。-18-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顶部，如图4-11所示。3)电池固定螺栓——M5*0.8（L为285mm）-19-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。6.4-12-20-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Ra≦3.22.按焊接箱体的图纸进行小件下料，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3~5mm的的切削加工余量用于制作坡口。6.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-21-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5.2.1ANSYS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。-25-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、Thermal、Preppost、FLOTRANEmagLS-DYNA等模块。其中Multiphysics是目前应用范围最为广阔的软件包，是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。5.2.2ANSYSBeginLevel(Processor。如果输入一个操作命令后，通过起始层过滤和分流，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/-26-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。5.3.1IGS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，接着单击确定后弹出如图5-1的对话框，选择【实体】即可导出IGS类型文件图5-1IGS文件的转换-27-5.3.2根据设计的要求，电池箱体采用的材料是硬铝合金板（原）。硬铝合0.3，密度2.7g/3金的弹性模量E=70GPa，泊松比，其强度极限≥b410MPa，屈服极限255MPa。s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将电池箱体IGS模型导入ANSYS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-28-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，其底面积为为120*60mm，电池箱体电池槽中的压力为：2FA6.4*9.8a0.0087a120*60*106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：1.62Kg/L*9.8N/*0.0045a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趋势。此时，液体势必给一面箱体壁一个额外的冲击载荷，此时应从强度要求和安全系数出发，给箱体长壁一个模拟的力。根据实际考虑，假设给箱体前后壁同时一个5g加速度的载荷，有牛顿第二定律可知：FMa/L*L*5*9.8N/N液液由此可以求得一面箱体壁的液体冲击载荷为：2513.96N**10FP加12003.250.12液A62液液流在箱体中的液流压力为：P取冷却液泵的扬程为6m，由此可算得压力为0.06MPa。泵经过上述的静力学分析，对箱体加载的形式和作用平面如下所述：PP泵箱体外底面施加全约束；箱体一侧（748*280）施加载荷；箱体壁液P泵的其余三面则施加；箱体内地面施加两个载荷（电池对箱体的载荷P和冷却P液体对箱体底部的压力）。其在ANSYS中的载荷图如下图5-3所示。液-29-图5-3载荷图5.3.4ANSYS载后的位移云图（如图5-4），箱体主要的位移发生在箱体的四壁面的上部，并且位移值不是很明显，最大的位移只有7.12561mm。基本上不影响箱体结构的稳定性。图5-4位移云图-30-图5-5应力云图图5-5可知，箱体的绝大多数的应力还是比较小，最大的应力224.721MPa，并且应力主要集中在在箱体壁的四个焊接处、箱体壁的窄边以及导流块的根部。通过ANSYS的计算结果显示，其危险点在207号节点上，其应力值如表5-1所示。表NodeS1S2SINTSEQV207节点184.98MPa42.865MPa-22.217MPa207.2MPa183.58MPa其中S1表示第一主应力；S2表示第二主应力；S3表示第三主应力；SINT表示应力强度；SEQV表示等效应力5.3.5根据材料属于塑性材料，引起塑性变形失效，采用畸变能密度理论（第四强度理论）校核——无论什么应力状态，只要畸变能密度达到材料性质有关d的某一极限值，材料就发生屈服。-31-畸变能密度屈服准则：1N(5-1)26Eds许用应力为许用应力(5-2)sS其中S为安全系数，为屈服极限s按第四强度理论的得到的强度条件：11/2222(5-3)2r4122331在理想的平稳的工作条件下作用在零件的载荷称为名义载荷。然而在机器运转过程中，零件还会受到各种附加的载荷，通常用引入载荷系数K的方法来估计这些不确定因数的影响。通常计算载荷为载荷系数K与名义载荷的乘积。安全系数的确定采用目前比较简单的确定方法:SSSS123式中；1.2SS12S1.1；1.0S为1.32。3有上述公式和数据代入可知：183.525MPar4193.182MPar4由此可以判断箱体的结构强度满足第四强度理论的强度条件，箱体设计方案可行。-32-第六章液冷系统的其它设备电池液冷系统主要有电池包、微型控制器、温度传感器、冷却水泵、散热风扇、散热器、冷却液管道、电控三通阀、不燃冷却绝缘液等部件组成。其冷却液线路如6-1所示。图6-1液冷系统的示意图6.1微型控制器和温度传感器微型控制器是液冷系统的控制中心，控制液冷系统的大小循环以及水泵的转速，从而确定电池的散热量和加热量，保证电池处在适宜的温度范围内。温度传感器作为液冷系统的的采集的温度信号传送给微型控制器，控制器对信号处理后发出一个执行命令，执行机构（冷却液泵、三通阀、加热装置）接受指令后执行相应的动作。6.2冷却液泵和风扇冷却液泵是整个散热系统的核心执行机构，其驱动着冷却液在电池包中循环流动，从而保证每一处电池单体的温度趋于均匀的状态。根据需要的，本课题针对具体的模型选取一个冷却液泵的参数如表6-1。表工作效率19.5%流量q22L/min20mm6m有上述参数可得知水泵出口的压力P为0.06MPaS型曲线。液流由于存在不可避免的流体压力损失，流速会不断减慢，起始压力-33-偏大。但在校核是选用液体压力均取其最大值，以提高其安全系数。风扇风扇与水泵同轴连接，作用是为冷却液泵散热的。6.3电控三通阀电控三通阀是控制冷去路线的大小循环的，由微型控制器控制阀门的切换。当电池温度较低时乃至需要加热时，三通阀在微型控制器的作用下，切断与散热管路连接，保证冷却液在电池包内部循环；当温度过高时，三通阀则接通散热器，通过散热器加快热量的传递。6.4散热器散热器是液冷型散热系统的的重要组成部分。特别是电动车对散热器的设计提出了新的要求与标准。因此，电动车散热器与传统发动机散热器相比，从散热的效率、驱动方式、散热器材料和结构以及几何参数都有变化。目前车辆上使散热器主要是管片式和管带式两种。其两者区别主要在芯体结构不同。管片式散热器的主要特点是结构强度大，并且尘埃、油污不易堵塞芯部，但是其工艺复杂，传热效率稍逊于管带式；主要有主板、水管、散热片组成。管带式常用于功率较小的汽车上，其优缺点恰好与管片式相反。6.5不燃绝缘冷却液电池液冷系统的冷却液（绝缘液压油）的选取对不仅对电池包的散热性能和电池的工作性能有一定的影响。而且对电动汽车的行驶速度、车辆的质量等以及综合工况的发挥。本次课题鉴于电池液冷系统应用于电动客车上，电池数量较大且电客车的功率大，能耗消耗大，所以电池包的发热量大，所以采用液冷系统时需选用密度小、粘度低、比热大的绝缘液体，保证冷却液体最大发挥冷却效果，同时还能凸显其良好的电池保温效能，从而达到我们预期的目标。大家都知道，目前绝缘冷却液广泛用于各种电力设备。然而以矿物油为基础的绝缘冷却液，从及经济的角度上考虑，称得上是物美价廉，但是其还是存在一些不安全的因素，由于矿物油的分子结构，存在安全隐患。本课题采用的是BRY不燃绝缘冷却液。其特性非常良好。不燃绝缘液的比-34-热为0.90kJ/kg.k,低粘度，低沸点，高蒸发速度，稳定的物理化学性质，良好的相容性，并且可耐强酸强碱，在300℃以下其自身不发生分解老化。此不燃绝缘的介电强度达到无闪电，沸点达到100℃，密度达到1.62kg/L,体膨胀系数为1.12×10/℃.6.6冷却液管道冷却管道是散热系统连接的通道。道由于环境复杂，冷却管需在一定的使用期限内能够承受一定的高温辐射和冷却液的侵泡，具备一定的耐磨性、耐腐蚀性。6