[发明专利]一种金属散热动力电池包结构设计方法及电池包

说明书

一种金属散热动力电池包结构设计方法及电池包，包括定义材料、边界和载荷，定义非设计域与设计域，有限元离散，求解结构总体热传导矩阵和总体刚度阵，结构热固耦合场分析，结构柔度和温度灵敏度分析，柔度敏度分析，网格过滤消除棋盘格式，引入体积约束和温度约束，发展温度约束热力耦合拓扑优化，优化电池包平面结构等步骤，具有良好且均匀的散热性能，同时具有较大的刚度，进一步的，提高电动汽车的续航里程和行驶安全性。

技术领域

本发明涉及电动汽车动力电池包技术领域，具体涉及一种金属结构散热的动力电池包的温度约束结构优化设计方法及电池包结构。

背景技术

动力电池的性能对温度变化较敏感。当电动汽车在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状况下运行时，动力电池会以不同倍率放电，以不同生热速率产生大量热量，加上时间累积以及空间影响会聚集大量的热量。由于发热电池体的密集摆放，中间区域必然热量聚集较多，边缘区域较少，增加了电池包中各单体之间的温度不均匀，加剧各电池模块、单体内阻和容量不一致性，将导致整个电池组性能下降；如果电池组的热量长时间积累且不及时散热，整个电池组处于高温工作状态，严重时将导致电池组热失控，影响汽车的安全性与可靠性。目前大多数的动力电池包采用空气冷却系统和液体冷却系统的冷却方式。然而，风冷系统的热交换效率低，冷却速度慢，温度均匀性不易控制；液冷系统的成本较高，使用水泵增加能耗，对管道密封性要求较高。

近年来新闻报道了多起电动汽车在发生意外碰撞后起火爆炸的惨案，引发了人们对电动车安全性的质疑。电动车受到的强烈撞击力导致电池包的结构产生较大的变形，内部的电池会迅速发生漏液、短路，热失控等现象，急剧产生大量热量，最终导致汽车起火爆炸。其原因主要是电池包结构的设计存在缺陷，电池单体之间没有承载结构或者承载结构刚度弱，未能满足电池组的安全性要求。

本发明在上述背景技术的基础上，提出了一种新的动力电池包结构设计方法，设计的电池包结构依靠结构金属本身散热，与传统的冷却系统相比，结构简单，热交换率高，温度均匀性好，不需要额外的机构；除此之外，在受到碰撞时电池包结构能够保护电池组免于产生过大变形，降低发生漏液、起火爆炸的可能性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种动力电池包结构设计方法及电池包，设计的电池包具有良好且均匀的散热性能，同时具有较大的刚度，进一步的，提高电动汽车的动力性和行驶安全性。

本发明提供了一种动力电池包结构设计方法，包括以下步骤：

(1)定义材料、边界和载荷：

在电池包结构拓扑优化设计时，将动力锂电池等价为平面结构；

电池包结构使用的材料为铝合金材料；

电池包结构通过四个侧面与恒温的空气进行热交换，初始设计域的平板四边温度T＝25℃作为温度边界条件；

(2)定义非设计域与设计域：

设置平板中动力电池所在的圆域和平板四边缘为非设计域，在迭代优化过程中非设计域不变化；

(3)有限元离散：

把连续体划分为有限数目的小单元，单元之间通过节点相互连接，用有限单元的集合近似代替连续体；

(4)求解结构总体热传导矩阵和总体刚度阵：

基于弹性力学最小位能原理求得单元刚度阵：

式中k₀为实体单元刚度阵，B为应变矩阵，B^T为B的转置矩阵，D为平面弹性矩阵，Ω^e为单元域；单元刚度阵k_e能够通过材料插值模型对k₀插值得到：