集成式水冷動力電池結構設計及熱管理分析

李 欣，胡 淼，連正秋

(凌云工業股份有限公司，上海 201708)

1 開發背景

基于能源持續緊缺、環境污染嚴重等問題，在國家法規和環境因素雙重作用下，大力發展新能源汽車已成為必然的趨勢。新能源汽車的動力電池系統主要由電池模組、電池殼體及管路和電路組成。動力電池系統是電動汽車的關鍵部件，它的安全性、可靠性和耐久性至關重要，決定著整車的性能[1]。汽車動力電池系統通常布置在車身底板下方，要經受較為嚴酷的安裝環境和惡劣的工作環境，電池殼體作為動力電池的載體，在動力電池安全工作和防護方面起著至關重要的作用[2-3]。電池殼體不僅需要滿足耐振動強度、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部，在充放電過程中會產生大量的熱量，需要通過冷卻裝置及時冷卻散熱。冷卻裝置的冷卻方式分為風冷、水冷和自然散熱[4]。水冷方式在散熱效率、溫度均勻性、安裝環境適應性、高溫高寒兼顧性、能耗等方面均優于風冷和自然散熱。目前用于動力電池系統的水冷裝置為單獨開發的冷卻管路，冷卻管路安裝有諸多的管件，接口多，零件多，存在裝配結構復雜、泄漏風險大等問題[5]。為提高冷卻效果，管路多布置在電池殼體內部，如果密封失效發生泄漏，將直接導致動力電池系統短路，造成嚴重后果。此外，目前通用的鋼質電池殼體存在自重大、不利于輕量化、制作工藝復雜、加工成本高等問題[6]。

2 設計方案

2.1 整體結構設計

該鋁合金電池殼將水冷系統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 電池殼結構示意圖

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度達到300 MPa，在保證了電池包結構安全性能的前提下，輕量化效果顯著[7]。

2.2 集成水道底板的截面設計

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構，可以將上層底板、下層底板、立筋、隔板、加強立筋擠壓成型(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構可在同等材料投入量的條件下提高強度，特別是在底部抗石擊性能方面有明顯提高。為進一步提高分底板的強度，在上層底板、下層底板之間還設有加強立筋，加強立筋與立筋平行，加強立筋的厚度為15～25 mm，電池模組安裝孔穿過上層底板設置在加強立筋上。用這種方式安裝電池模組，可以減少跌落試驗時電池包的變形量，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個側壁，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。上述結構可以提高冷卻效果，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。進水通路和出水通路在對應各分支流道的位置設有通流孔。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。與傳統的獨立的液冷板相比，其可以簡化結構、工序，降低制作成本，最大限度地利用材料。

2.3 冷卻水路的設計

冷卻水路的設計如圖3和圖4所示，兩側長度方向的框架內分別設有進水通路和出水通路。在進水通路的首端設有進水嘴，進水通路的另一端封閉；在出水通路的末端設有出水嘴，進水通路的另一端封閉；進水嘴、出水嘴位于底板的同側。集成水道底板內部的數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 冷卻水路結構示意圖

冷卻液流向如圖3中箭頭所示，首先冷卻液通過進水嘴進入進水通路，通過分底板的孔位進入到集成水道底板內部的水道中，從分底板另一側孔位進入到出水通路中，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→導熱墊→下箱體→冷卻液，通過冷卻液的循環對模組進行冷卻或者加熱[9]。

圖5 熱管理仿真模型示意圖

選取典型評價工況——夏季快充工況來評估集成式水冷系統的冷卻效果。流動邊界設定見表1。

表1 夏季快充工況的冷卻邊界和溫控目標

模組類型為355模組-軟包，模組例圖如圖6所示，模組的產熱邊界設定見表2。評估模組在1C快充的工況下通過集成水冷系統熱管理的效果。

圖6 模組例圖

表2 模組參數信息

計算結束后觀察整包的溫度場分布(見圖7)，溫度梯度合理；對模組進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，滿足高溫熱管理的要求。

圖7 整包的溫度場分布情況

圖8 模組高度斷面上溫度差異

4 結語

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勢，在鋁合金型材內部集成冷卻水道，提高了整體電池包的材料利用率，減少了單獨冷卻系統的開發及制造，簡化了冷卻系統生產裝配工序，從而降低了電池殼的生產成本。

該電池下殼體的冷卻流道布置在電池殼密封面的外側，減少了由于傳統電池殼體內部冷卻管路發生漏水問題導致模組短路等風險。

該電池下殼體采用鋁合金型材方案，對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航里程。從仿真分析上看，該電池下殼體一階模態達到60 Hz以上，模態較傳統鋼制電池殼體上升明顯[10-11]。