目前储能系统液冷电池箱体的主流方案主要有四种,分别为钣金箱体+液冷板､压铸箱体+液冷板､型材一体式箱体､压铸一体式箱体,其中型材一体式箱体与其他方案对比,具备流道承重能力好､开模成本较低等优点,但是焊接工作量较大,流道设计存在限制性｡
综合考虑强度需求､导热能力､成本等因素,本方案选用型材一体式箱体,经过模拟仿真与实际验证,该箱体满足初期设计需求｡
动力电池箱体(如图1)作为电池系统中最重要的零部件之一,起到承重保护､传热均温､电气安装､防水密封等作用｡
本文介绍的箱体主要由五个部分组成,包括左侧板､右侧板､中间底板､前面板和后面板｡这些部分都是通过铝型材挤出加工成型,通过搅拌摩擦焊､激光焊等技术完成拼接焊接｡
其中左侧板､右侧板包含部分液冷流道,为一体化成型结构,同时在挤出过程中加入了1.5mm厚度的加强筋,以增强侧板与流道之间的连接强度(如图2)｡
通过与中间底板的搅拌摩擦焊接,形成了电池箱体完整的液冷水路流道结构,流道内腔高度为6mm,型材板厚为2mm｡由于部分流道与箱体侧壁是一体化成型的,所以可以节省关键承重部位的焊接工作,提升了整体的结构强度｡
箱体前面板(图3)在挤出成型后进行机加工开孔,用于安装电气接口,实现电流传递､通讯交互､安全控制等功能｡
此设计方案采用实心型材挤出结构来增强模组的固定强度,同时在开孔处内嵌Cr-Ni不锈钢材质钢丝螺套｡这种螺套具有较高的硬度和光洁度,可以减少磨擦和磨损,从而降低螺钉上由磨擦而产生的扭力｡
通过减少扭力,可以用最小的旋紧螺钉力矩来达到最大的予紧力矩和螺钉拉力,防止螺钉松脱,避免模组连接失效｡此外,箱体前面板与底板的焊接位置采用焊疤隐藏结构,可以防止焊疤对模组组装的干涉｡
位移约束条件:插箱底部左右两侧两个承载面为固定约束;简化模型自重加载:重力加速度g=9.8m/s2;电池模组重量加载:舱内共四组电池模块,每一组模块重71kg,合计284kg,合2840N;上盖重量加载:上盖重12.5kg,合0.001563MPa｡承重工况载荷和约束施加情况如图4所示｡
通过对简化模型划分网格并进行仿真分析,得到如图5所示的变形云图和如图6所示的应力云图｡
电池箱长L=1150mm,根据GB50017-2017《钢结构设计规范》,最大允许变形量为L/400｡经过计算,最大允许变形量为1150/400=2.875mm｡图4中插箱最大变形值为0.000057mm,小于2.875mm,变形量很小,满足要求｡下箱体的金属材料均为6063T6铝合金,最大屈服强度为180MPa｡从图6的应力云图中,电池插箱的最大应力为3.83MPa,最大应力区域很小,安全系数n达到47(180MPa/3.83MPa),整体应力满足要求｡
位移约束条件:插箱两侧八个起吊孔上部为固定约束;简化模型自重的加载:重力加速度g=9.8m/s2;电池模组重量加载:舱内共四组电池模块,每一组模块重71kg,合计284kg,合2840N;上盖重量加载:上盖重12.5kg,合0.001563MPa｡吊装工况载荷和约束施加情况如图7所示｡
通过对简化模型划分网格并进行仿真分析,得到如图8所示的变形云图和如图9所示的应力云图｡
电池箱长L=1150mm,根据GB50017-2017《钢结构设计规范》,最大允许变形量为L/400｡经过计算,最大允许变形量为1150/400=2.875mm｡图7中插箱最大变形值为0.0010845mm,小于2.875mm,变形量很小,满足要求｡下箱体的金属材料均为6063T6铝合金,最大屈服强度为180MPa｡图9插箱的最大应力为77.37MPa,发生在吊装孔处,安全系数n达到2.3(180MPa/77.37MPa)｡
实际上应力最大值的变形区域很小,吊装孔处其余区域的最大应力为40MPa,安全系数n达到4.5(180MPa/40MPa),整体应力满足要求｡
依据GB/T4857.23-2012《包装运输包装件基本试验第23部分:随机振动试验方法》,将公路运输功率谱作为输入条件对电池插箱进行车载运输工况的仿真分析,得到其在X方向(电池包深度方向)､Y方向(电池包宽度方向)和Z方向(竖直方向)的变形云图(见图10),电池插箱的应力云图如图11所示｡
从图10可以看出,电池插箱沿X方向最大变形量为0.10094mm,沿Y方向最大变形量为0.096303mm,沿Z方向最大变形量为0.84546mm,均发生在下箱体的上部法兰边｡电池插箱深L=1150mm,根据GB50017-2017《钢结构设计规范》,最大允许变形量为L/400｡经过计算,最大允许变形量为1150/400=2.875mm｡实际最大变形量0.85mm<2.875mm,因此变形量满足要求｡但是考虑到电池安全及运行场景的特殊性,建议在电池簇内钣金托架增加上下方向(Z轴)的限位压板,适当压住下箱体两侧下部的法兰边,以减小箱体的上下摆动,保证电池更加安全｡
下箱体的金属材料均为6063T6铝合金,最大屈服强度为180MPa｡根据《材料力学》,塑性材料安全系数一般可取1.2~2.5,这里取最大安全系数为2.5,因此得到最大许用应力为180MPa/2.5=72MPa｡图11的应力云图中,电池插箱在车载振动工况下的最大应力为78.23MPa,基本接近最大安全系数,说明整体应力满足要求｡
本文通过对当下储能系统液冷Pack箱体的市场调研,利用三维建模软件设计了一款挤压型材一体式铝合金下箱体,并应用CAE仿真软件对箱体静态承重､提拉吊装､随机振动等多种情况进行了模拟仿真分析,主要得出以下结果｡
（1）液冷流道与箱体侧壁进行了一体化设计,流道接缝处采用搅拌摩擦焊,从而保证了流道的良好密封性能,同时液冷水嘴置箱体外部,这样在发生冷却液泄露时,不会导致电池包内部短路的风险｡
（2）箱体整体采用铝型材挤出工艺成型,成本低,且具备良好的承重能力｡通过对承重结构进行拓扑优化设计,使得结构设计更加合理,降低了箱体重量｡
通过对下箱体进行仿真分析研究,发现电池插箱在承重工况和吊装工况下,其变形和应力均在允许范围内,不会发生破坏｡在公路运输随机振动工况下,电池插箱的变形和应力均在允许范围内,不会发生破坏｡
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