[發明專利]一種金屬散熱動力電池包結構設計方法及電池包

有效

• 申請號: 201711082671.7
• 申請日: 2017-11-07
• 公開（公告）號: CN107887669B
• 公開（公告）日: 2019-08-13
• 發明（設計）人: 祝雪峰;鄒亞東
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M10/613
• 分類號: H01M10/613;H01M10/617;H01M10/625;H01M10/653;H01M2/10
• 代理公司: 北京元本知識產權代理事務所 11308
• 代理人: 李斌

一種金屬散熱動力電池包結構設計方法及電池包，包括定義材料、邊界和載荷，定義非設計域與設計域，有限元離散，求解結構總體熱傳導矩陣和總體剛度陣，結構熱固耦合場分析，結構柔度和溫度靈敏度分析，柔度敏度分析，網格過濾消除棋盤格式，引入體積約束和溫度約束，發展溫度約束熱力耦合拓撲優化，優化電池包平面結構等步驟，具有良好且均勻的散熱性能，同時具有較大的剛度，進一步的，提高電動汽車的續航里程和行駛安全性。

技術領域

本發明涉及電動汽車動力電池包技術領域，具體涉及一種金屬結構散熱的動力電池包的溫度約束結構優化設計方法及電池包結構。

背景技術

動力電池的性能對溫度變化較敏感。當電動汽車在高速、低速、加速、減速等交替變換的不同行駛狀況下運行時，動力電池會以不同倍率放電，以不同生熱速率產生大量熱量，加上時間累積以及空間影響會聚集大量的熱量。由于發熱電池體的密集擺放，中間區域必然熱量聚集較多，邊緣區域較少，增加了電池包中各單體之間的溫度不均勻，加劇各電池模塊、單體內阻和容量不一致性，將導致整個電池組性能下降；如果電池組的熱量長時間積累且不及時散熱，整個電池組處于高溫工作狀態，嚴重時將導致電池組熱失控，影響汽車的安全性與可靠性。目前大多數的動力電池包采用空氣冷卻系統和液體冷卻系統的冷卻方式。然而，風冷系統的熱交換效率低，冷卻速度慢，溫度均勻性不易控制；液冷系統的成本較高，使用水泵增加能耗，對管道密封性要求較高。

近年來新聞報道了多起電動汽車在發生意外碰撞后起火爆炸的慘案，引發了人們對電動車安全性的質疑。電動車受到的強烈撞擊力導致電池包的結構產生較大的變形，內部的電池會迅速發生漏液、短路，熱失控等現象，急劇產生大量熱量，最終導致汽車起火爆炸。其原因主要是電池包結構的設計存在缺陷，電池單體之間沒有承載結構或者承載結構剛度弱，未能滿足電池組的安全性要求。

本發明在上述背景技術的基礎上，提出了一種新的動力電池包結構設計方法，設計的電池包結構依靠結構金屬本身散熱，與傳統的冷卻系統相比，結構簡單，熱交換率高，溫度均勻性好，不需要額外的機構；除此之外，在受到碰撞時電池包結構能夠保護電池組免于產生過大變形，降低發生漏液、起火爆炸的可能性。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種動力電池包結構設計方法及電池包，設計的電池包具有良好且均勻的散熱性能，同時具有較大的剛度，進一步的，提高電動汽車的動力性和行駛安全性。

本發明提供了一種動力電池包結構設計方法，包括以下步驟：

(1)定義材料、邊界和載荷：

在電池包結構拓撲優化設計時，將動力鋰電池等價為平面結構；

電池包結構使用的材料為鋁合金材料；

電池包結構通過四個側面與恒溫的空氣進行熱交換，初始設計域的平板四邊溫度T＝25℃作為溫度邊界條件；

(2)定義非設計域與設計域：

設置平板中動力電池所在的圓域和平板四邊緣為非設計域，在迭代優化過程中非設計域不變化；

(3)有限元離散：

把連續體劃分為有限數目的小單元，單元之間通過節點相互連接，用有限單元的集合近似代替連續體；

(4)求解結構總體熱傳導矩陣和總體剛度陣：

基于彈性力學最小位能原理求得單元剛度陣：

式中k₀為實體單元剛度陣，B為應變矩陣，B^T為B的轉置矩陣，D為平面彈性矩陣，Ω^e為單元域；單元剛度陣k_e能夠通過材料插值模型對k₀插值得到：