基于安全、轻量化、可靠性多目标的新能源汽车电池包壳体开发

电池包作为新能源汽车的动力源,是新能源汽车最重要的部件之一,而电池包壳体对电池包乃至整车起重要保护作用,是新能源汽车的关键部件。电池包壳体质量占整车的2%~6%,电池包壳体对汽车轻量化同样起到重要作用。基于全球汽车产业的节能减排发展目标,从安全性、轻量化、可靠性3个角度出发,论述了新能源汽车电池包壳体开发的行业发展现状,展望其未来的发展趋势,同时针对这一领域存在的共性关键技术问题进行了讨论。

基于频域和时域法的电池包随机振动疲劳计算对比研究

针对频域法和时域法在随机振动疲劳计算中的适用性问题,以某型号电池包为研究对象,综合研究了2种方法的计算精度和计算效率.首先,建立电池包有限元模型,并通过模态试验进行验证;其次,以国标GB 38031―2020加速度功率谱密度(PSD)载荷谱作为频域载荷输入,并利用傅里叶逆变换技术将其转换为加速度时域载荷;最后,分别基于频域法和时域法计算电池包的振动加速度、应力和疲劳寿命,并进行了计算精度、效率的对比分析和精度的试验验证.结果表明,在电池包总振级和应力均方根值(RMS)方面,频域法和时域法计算结果相近,相对误差小于16%;在加速度和应力峰值方面,频域法“3σ”计算结果与时域法差距较大,若采用“4σ”或“5σ”原则,计算结果与时域法相近,相对误差小于15%;在振动疲劳方面,频域法计算寿命约为时域法的3~6倍,主要原因包括Dirlik模型和应力响应PSD谱差异,其中Dirlik模型造成的差距小于1.5倍;在计算效率方面,频域法比时域法高约134倍.试验数据表明,时域法计算精度更高,适用于结构危险位置振动疲劳的精确计算,而频域法计算效率更高,适用于结构危险位置的快速预测.

碳纤维电池包箱体的设计与铺层优化研究

为实现电池包箱体的轻量化设计,采用碳纤维复合材料取代传统金属构建电池包箱体结构。首先对碳纤维电池包的动静态性能开展有限元分析,并基于性能要求对上盖板依次进行形貌优化和尺寸优化,对下箱体进行结构优化,使下箱体质量减轻31.1%,且一阶固有频率提升至50.63 Hz,然后,开展了箱体铺层优化分析,基于Isight平台对下箱体的质量和一阶固有频率进行多目标优化,利用熵-优劣解距离法(TOPSIS)确定最优铺层设计方案,并综合考虑层合板铺覆工艺对铺层顺序进行全面优化,优化分析结果表明,下箱体实现质量减轻58.9%,且各工况下的最大位移和最大应力均有所减小,电池包箱体动静态性能均得到提升。

基于载荷谱的电池包疲劳试验与计算方法

电池包作为电动汽车的核心部件之一,对电动汽车的整车性能有着关键性的影响。而在电动汽车的运行过程中,电池包会不断受到来自路面的持续性冲击力,造成电池包的疲劳损坏,对驾驶员和乘客的安全以及整车性能造成一定的影响。本文以电动汽车电池包为研究对象,建立了电池包随机振动试验方法与疲劳寿命的计算方法。先对振动台、工装夹具和电池包进行扫频分析,得到振动台台面、夹具空载端板、电池包与工装夹具连接端板处的加速度传感器的测量数值与输入扫频加速度值保持一致,验证振动信号的有效传递,确保输入的振动信号能够准确传递至电池包,然后开展电池包随机振动试验。并对电池包进行了电芯性能检测、气密性检查、绝缘电阻检查和共振频率检查,得出电池包的损伤部位。研究了电池包疲劳损伤计算方法,对电池箱、电池模组和电池包内各连接方式进行了精细化建模。基于精细化模型,进行了电池包频响特性的计算。基于计算得到的频响特性和实车路谱采集试验得到电池包随机振动载荷谱曲线,采用Goodman疲劳寿命估算方法和Miner线性累积损伤法则,并结合电池包材料S-N曲线,对电池包进行了随机振动疲劳损伤分析。试验得到的电池包结构损伤部位与分析得到的失效部位具有较好的一致性,证实了本文提出的疲劳损伤计算方法的准确性。

动力电池包结构振动强度的仿真与优化

本文借助仿真软件在虚拟平台搭建电池包随机振动有限元模型,对电池包施加国标规定的垂直于路面方向的功率谱密度,计算电池包结构件的应力分布,根据结果进行结构的优化和验证。

基于正交实验的双流体喷雾对电池包内热失控锂电池降温效果研究

锂电池热失控具有温升速率快、易蔓延、化学反应复杂等特点,一般消防措施难以对其进行快速灭火降温。本工作提出使用CO_(2)和水组成低压双流体雾化喷雾消防系统,将此系统应用于液冷型电池包内热失控锂电池的消防降温,监测电池包内部以及电池温度变化,设计正交试验探究双流体喷雾各因素对电池包内的热失控锂电池降温效果的影响程度,分析各因素对于实验结果的影响。实验结果表明:双流体喷雾在电池包内的弥漫特性良好,能够对位于雾化喷嘴正下方的热失控电池进行有效降温,并且气体压力越高,水流量越大,喷嘴气孔数越多,雾滴弥漫性越好,电池降温时间越短,其中,雾化气体压力对实验结果的影响最为显著。最优水平参数下组合的双流体喷雾能够在较短时间内将热失控电池降温至安全温度,并有效抑制热量进一步传播。本工作研究成果在成本、环保性、二次伤害及降温效果上均优于传统灭火系统,可为储能电站及储能柜消防系统设计提供一种新的思路。

基于VRB/OW-GFRP混合结构的CTB电池包上盖总成轻量化设计研究

电池车身一体化(CTB)是提升电动汽车续航里程的关键技术。利用胶接工艺将变厚度(VRB)结构与正交编织玻璃纤维增强复合材料(OW-GFRP)粘接形成的VRB/OW-GFRP混合结构,是降低CTB电池包质量的创新结构,有助于进一步提升电动汽车的续航里程。以某款电动汽车为研究对象,设计了一种CTB电池车身一体化结构,实现了电池包上盖与车身地板的集成融合。分别采用VRB结构、UT/OW-GFRP及VRB/OW-GFRP混合结构替代等厚度(UT)CTB电池包上盖总成,并基于多阶段优化方法开展了3种类型CTB电池包上盖总成的轻量化设计。结果表明,在满足CTB电池包刚度性能前提下,VRB结构相比UT结构实现减质量6.4%;基于VRB/OW-GFRP混合结构的CTB电池包上盖总成轻量化效果约为金属结构的3倍,VRB/OW-GFRP相比UT/OW-GFRP混合电池包上盖总成进一步减质量4.2%。由此可见,VRB/OW-GFRP混合结构是未来汽车轻量化技术发展的重要趋势,在CTB电池包上盖总成中具有巨大的应用前景。

GB/T 31467—2023《电动汽车用锂离子动力电池包和系统电性能试验方法》标准解读与分析

近年来,我国新能源汽车和动力蓄电池产业快速发展,相关标准的部分内容已不能适应产业发展需要,面向当前我国新能源汽车和动力蓄电池的使用场景需求,结合我国动力蓄电池电性能测试经验,充分参考相关国际标准,GB/T 31467—2023经修订后发布,为电动汽车用锂离子动力电池包和系统的电性能测试提供了方法。本文详细对比了GB/T 31467—2023与GB/T 31467.1—2015、GB/T 31467.2—2015以及ISO 12405-4:2018的测试项目与技术内容,并对通用测试条件、通用测试、基本性能测试等部分的修订内容进行了解释说明,可为相关动力电池产品研发和验证提供参考。标准在修订过程中,一方面考虑国内技术水平及整车对动力电池包和系统电性能的需求,增加了外观、极性、能量密度、充电性能以及工况放电的测试方法;另一方面,结合整车实际运行过程中的充放电电流以及运行环境,对所有测试项目的充放电电流进行修改,并对无负载容量损失、能量效率、高低温启动功率等测试项目的测试温度进行协调统一,有利于电动汽车用锂离子动力电池包和系统的研发和测试。

无模组动力电池包振动特性研究

为探讨某车用无模组动力电池包的振动特性,建立了不同电芯尺寸和电芯布置的两种电池包有限元模型;基于所构建的电池包有限元模型,在3种极限工况下,对两种电池包进行静力学分析与模态分析;基于分析结果对电池包进行改进设计。研究表明,动力电池包中的电芯尺寸及电芯布置方式对电池包的振动特性具有显著影响;电池包1.0的上盖刚度不足,其最大应力和上盖最大变形量都较大,1阶约束模态固有频率低于平整路面的最大激振频率,易导致动力电池包共振;动力电池包2.0具有较好的静力学特性,且其1阶固有频率高于平整路面的最大激振频率,可避免路面激励导致的电池包共振;上盖改进后动力电池包1.0的静力学特性和振动特性均能满足要求;增加电池包的约束范围可以提高其1阶固有频率。

水冷型高功率动力电池包冷却结构优化

车用高功率动力电池放电倍率大、产热快,易出现电芯过热问题,以优化水冷型高功率电池模组放电散热能力为研究目的,对电池模组冷却参数进行组合探究。搭建模组放电-产热耦合仿真模型,以冷却液温度T、流速V,冷管宽度W、高度H为优化边界建立四因素-四水平正交试验,利用极差分析法完成了各因素对响应目标影响的权重计算,结果显示:对模组最高温度和最大温差影响最大的因素分别是冷却液温度和流速。在权重计算结果基础上结合响应目标直方图和电芯表面温度分布图确定了全组最优解,较优方案Ι台架试验结果与仿真值相吻合,验证了本次优化方法的正确性。

橡胶黏弹性对电池包密封件密封性能的影响

动力电池包橡胶密封件密封性是关系到新能源汽车动力系统安全的关键因素之一。橡胶材料是一种典型的黏弹性材料,决定了橡胶密封件在使用过程中会发生应力松弛,进而有可能会导致密封失效。基于橡胶材料单轴压缩以及应力松弛实验,与ABAQUS数值模拟相结合,确定橡胶材料超弹-黏弹本构模型及相关参数,对电池包密封件进行有限元分析。分析结果表明,接触压力和Von-Mises应力随着时间增加出现明显的下降;橡胶材料的黏弹特性对密封性能有显著的影响。

电池包内高压线束辐射发射仿真与屏蔽优化

电磁兼容性是新能源汽车的一项关键共性技术,电池包内部电磁环境复杂,包内高压线束的电磁辐射易对电芯监控单元(CMU)、电池射频模块(BRFM)等电子器件产生干扰。文章首先创新建立完整的电池包内高压线束电磁辐射(EMI)和电子元器件电磁抗扰(EMS)仿真模型,分析得到高压线束在加载特定的高频激励载荷下,在不同电子元件位置不同激励频率下的电场强度值,参考整车电子元器件抗扰企标,对电子元器件存在的EMC失效风险进行评估。然后,建立高压屏蔽线结构,分析得到屏蔽层材料、厚度、编织形式对屏蔽线屏蔽效能的影响,为工程中基于屏蔽性能选择屏蔽线提供参考。

基于CFD仿真对电池包散热性能的分析

储能是实现双碳目标的重要支撑技术,以锂离子电池为能量载体的电化学储能在国家大力扶持下迅猛发展。但锂离子电池包散热效果不佳导致寿命衰减、热失控等问题成为了储能系统大规模推广的关键瓶颈。针对这一问题,基于280 Ah锂离子电池包提出了3种不同工艺的液冷散热结构,详述了液冷流道、电池包结构方案,并应用ANSYS软件进行热流场分析。通过对比挤压铝型材(design-1)、冲压钎焊铝板(design-2)、口琴管(design-3)等3种流道方案的综合热力表现,得出3种工艺冷板都满足锂离子电池散热要求,且其中冲压钎焊铝板(design-2)散热效果最佳的结论。最后对冲压钎焊铝板散热方案进行实测,实测数据满足仿真结果,可为锂离子电池包液冷散热工艺方案选择提供参考。

基于侧柱碰的铝合金与钢制电池包对比研究

为了降低造车成本,拟将电车的铝合金电池包换成钢制电池包,但通过整车侧柱碰工况仿真分析发现:由于钢制电池包质量的增加,在该工况下,车辆侧围变形严重且电池包的外壳变形过大,导致车辆存在热失控风险。为了提高车辆的耐撞性和底部电池包的安全性,选取门槛梁厚度为优化参数,基于正交试验法,对车辆进行仿真分析,以找出最优方案。然后从多角度对比分析钢制电池包与铝合金电池包,阐述各自的优势,为后续车企针对不同车型选取不同材质的电池包提供了依据。

动力电池包硅橡胶密封圈脱出问题攻关

文章简述了动力电池包中密封圈的密封原理与常见密封结构。介绍了某项目电池包在生产过程中的密封圈脱出问题,从物料质量、生产工艺、产品设计等角度对问题进行了深入分析,识别问题原因,通过调整工艺参数与设计解决了密封圈在制造过程中容易脱出的问题,规避了较高的返修成本,也为后期密封圈设计选型提供了一些经验。

新能源汽车电池包防火涂料的现状与进展

新能源汽车电池包防火涂料属于涂料应用新领域,市场前景广阔,目前已有多家涂料厂家推出电池包防火涂料,以双组分超薄膨胀型防火涂料为主。因其契合电池包轻量化、灵活设计及自动化的需求,防火涂料开始在电池包中应用,但对应用场景、施工和失效特点等方面的针对性有所欠缺,又一定程度上限制了其大规模应用。针对新能源电池包热失控时高温火焰、颗粒冲击等特点,综述了新型电池包防火涂料研究进展,如通过添加防火树脂提高耐火性能、陶瓷化提高炭层的强度、加入防火以外的新功能等,为新能源电池包防火涂料的开发提供了新的视野。

基于浮动映射法的动力电池包散热结构设计

针对电动汽车运行过程中,电池温度呈现中间高、四周低的分布,从而影响电池使用寿命的问题,以几何平均温度为目标函数,提出基于浮动映射拓扑优化的稳态热传导结构设计方法,通过算例对比分析了单工况和多工况动力电池包的最高温度及温差。分析结果表明,所得到的拓扑构型在多工况时可以有效降低散热过程中的最高温度和温差,使温度分布均匀。最后将该方法运用到动力电池包支撑结构中,结果表明,该方法在有效降低温度的同时,不增加电池包结构的体积,优化了材料的分布,实现了电池包整体结构的轻量化。

储能锂电池包浸没式液冷系统散热设计及热仿真分析

作为最主流的储能电池液冷技术,间接冷板冷却技术相比风冷技术虽然实现了在电池换热和均温效果上的突破,但仍存在着电芯顶底区域温差过大、液冷管路循环阻力过大和功耗过高等问题。为解决这些问题,本工作以某型电池包作为研究对象,设计了一种新型的直接浸没式电池包冷却系统,即采用直接浸没式冷却技术将电池包直接置于冷却液中冷却。通过数值仿真对该浸没式系统进行了温度场和流场特性的评估,并与冷板式冷却系统进行对比。接着分别探究了浸没冷却液流量、电芯间距和喷射孔数量对于浸没电池包温度场的影响。研究发现:相比于冷板冷却系统,浸没式冷却系统下电池包顶面最高温度和最大温差均明显下降,系统整体冷却性能显著提升;同时浸没电芯顶底区域最大温差大幅度缩小,有效解决了冷板冷却时存在的顶底区域温差过大的问题;随着冷却液流量和电芯间距的增加,电池包顶面最高温度和最大温差均不同程度下降,但其温度下降率逐渐下降;喷射孔数量的增加使得电池包顶面最高温度略微下降,但最大温差明显提升。

动力电池包装配式密封条的设计概况

以装配式密封条为例,介绍动力电池包密封条的设计要素,包括开发体系和分类、断面设计、性能要求、材料选择、定位精度和尺寸公差。密封条的上、下表面接触压力大于0.01 MPa,密封条即实现安全密封,密封等级达到IPX7。密封条橡胶材料的主体材料选用三元乙丙橡胶最佳,密封条的尺寸公差采用M1等级,定位采用分区定位法。

不同工况对锂离子电池包温度场的影响

针对锂离子电池包运行时内部温度变化以及分布不均匀的问题,对其不同工况下的充放电温度场进行了研究。结果表明:电池包在常规温度区间运行时,温度降低,温升增大,温差基本不变;倍率增大,温升与温差均有所增大;在低温环境下,随着温度降低,温升增大,而温差也相对增大;连续循环时,小倍率充电能帮助电池包温度恢复到正常数值,减少甚至消除前期热量积聚对后期应用的影响。因此,可以通过减小充电倍率、低温下谨慎进行大电流放电、避免连续使用等系列方法减小温升并保持电池内部温度场的均一性。