一种金属散热动力电池包结构设计方法及电池包技术

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。

【技术实现步骤摘要】
一种金属散热动力电池包结构设计方法及电池包
本专利技术涉及电动汽车动力电池包
，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。
技术介绍
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。本专利技术在上述
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，BT为B的转置矩阵，D为平面弹性矩阵，Ωe为单元域；单元刚度阵ke能够通过材料插值模型对k0插值得到：将单元刚度阵组装成结构总体刚度阵K：式中xe是单元的相对密度并作为优化设计变量，xe的大小在0-1之间，相对密度xe具体含义：当单元相对密度xe与1比较接近或者等于1时，表明该单元位置重要，需要保留；当相对密度xe接近0或者等于0时，表明该单元不重要，能够去掉；设计变量的个数与离散单元一致，即矩阵的维度为90×90；N为离散单元的个数，qE为单元刚度阵插值的插值系数；利用加权余量的伽辽金方法将二维稳态的热传导微分方程等效为积分形式，同时得到实体单元热传导矩阵它的元素：式中，kx与ky分别为材料x轴方向与y轴方向的导热率，kx＝ky＝130W/(m·K)；Ni与Nj为单元C0型单元插值函数：Ni(xj,yj)＝0，当i≠j；Ni(xj,yj)＝1，当i＝j；式中i,j为单元节点序号，取1,2,3,4；(xj,yj)为节点坐标；采用的离散单元为四节点的矩形单元，单元插值函数分别为：通过材料插值模型将单元热传导矩阵组装成结构总体热传导矩阵KT：式中qT为单元热传导矩阵的插值系数；材料插值模型为材料属性有理近似模型RAMP，在单元刚度矩阵组装总体刚度阵时，RAMP插值模型的插值系数qE＝8；单元热传导矩阵的插值系数qT＝2；(5)结构热固耦合场分析基于步骤(4)的结构总体热传导矩阵和步骤1)中的温度边界条件和温度载荷，利用加权余量法将二维稳态的热传导微分方程等效为积分形式，得到结构热传导有限元方程：KTT＝P；求解法求出结构的温度场T；式中T为结构单元节点温度矩阵，P为温度载荷矩阵；引入温度场后，物体由于热变形将产生线应变α△T，α为材料线膨胀系数，△T为温差；这种由于热变形产生的应变能够看作物体的初应变ε0，对于各向同性材料平面问题，ε0的表达式：ε0＝α[110]T△T；存在初应变的情况下，连续体结构的应力应变本构关系：σ＝D(ε-ε0)；由温度应变引起的单元热应力载荷：式中β(xe)为热应力系数，表达式为：其中qβ＝2，E与ν分别为材料的弹性模量与泊松比，组装单元热应力载荷得到总体结构热应力载荷：利用顺序耦合的分析方法热变形引起的热应力载荷项Fth累加机械外载荷Fm作为载荷项用于电池包结构，结构热固耦合有限元方程：KU＝F＝Fth+Fm；由步骤4)中的总体刚度阵可求解结构的位移场U；(6)结构柔度和温度灵敏度分析：令柔度最小作为目标函数，基于步骤5)求得的位移场U，联立结构总体刚度矩阵求解结构柔度：式中ue为单元位移矩阵，求和符号表示累加；基于步骤(5)的温度场T，第i节点温度ti通过以下公式得到：式中为单位虚温度载荷，第i元素为1，其余元素为0，Pi0为常向量，为Pi0的转置矩阵；热源节点温度ti对设计变量xe的敏度：式中，Ti为虚温度载荷作用到结构得到的虚节点温度列阵：TiT＝KT-1Pi0；(7)柔度敏度分析：通过结构灵敏度分析获得单元设计变量对于结构柔度的影响程度，基于步骤(6)的结构柔度和温度灵敏度，推导结构柔度敏度公式：式中的热应力载荷Fth属于依赖设计载荷，热应力系数β(xe)和单元温差都与设计变量有关，热应力载荷对设计变量的导数：式中α为材料的线膨胀系数，T为单元温度，由节点温度近似表示：式中T1、T2、T3、T4为单元四节点温度；获得到柔顺度敏度表达式：(8)网格过滤消除棋盘格式：通过对特定单元的周围固定邻域单元的敏度信息进行加权平均来修正该单元的敏度信息，得到过滤后的单元敏度信息的重新分布，作为下次迭代的初始值，其中网格过滤表达式如下：卷积算子的表达式为：式中，rmin为网格过滤半径，disk(k,i)是单元k和单元i中心之间的距离，对于非过滤圆域内的单元，卷积算子(9)引入体积约束和热源处温度约束：电池包结构的优化列式如下：式中V与ve分别为优化后电池包结构的体积和单元体积，f为材料用量百分比，V0为初始设计总体积。til与tiu分别为第i个节点温度的下限约束值和上限约束至；(10)优化电池包平面结构：使用优化算法更新设计变量，验证收敛条件是否满足；若满足，则结束更新设计变量，得到最优动力电池包平面结构；若不满足，返回到步骤(4)，依次执行各步骤反复循环直到满足收敛条件，其中收敛条件为上次迭代得到的单元设计变量与当前的相比最大改变值不大于0.01且循环次数不小于为200，表达式为：max(max(abs(xl-x)))≤0.001orloop≥20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动力电池包结构设计方法，其特征在于,包括以下步骤：(1)定义材料、边界、载荷和约束及物体问题所属类别：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；电池包散热防护结构使用的材料为铝合金或散热性能良好的合金材料；所述电池包设计方法为独立发展的温度约束的热力耦合拓扑优化方法，电池包整体任意两点温差不大于某给定值作为优化约束条件之一，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：

【技术特征摘要】
1.一种动力电池包结构设计方法，其特征在于,包括以下步骤：(1)定义材料、边界、载荷和约束及物体问题所属类别：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；电池包散热防护结构使用的材料为铝合金或散热性能良好的合金材料；所述电池包设计方法为独立发展的温度约束的热力耦合拓扑优化方法，电池包整体任意两点温差不大于某给定值作为优化约束条件之一，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，BT为B的转置矩阵，D为平面弹性矩阵，Ωe为单元域；单元刚度阵ke通过材料插值模型对k0插值得到：将单元刚度阵组装成结构总体刚度阵K：式中xe是单元的相对密度并作为优化设计变量，xe的大小在0-1之间，相对密度xe具体含义：当单元相对密度xe与1比较接近或者等于1时，表明该单元位置重要，需要保留；当相对密度xe接近0或者等于0时，表明该单元不重要，能够去掉；设计变量的个数与离散单元一致，即矩阵的维度为90×90；N为离散单元的个数，qE为单元刚度阵插值的插值系数；利用加权余量的伽辽金方法将二维稳态的热传导微分方程等效为积分形式，同时得到实体单元热传导矩阵其元素为：式中，kx与ky分别为材料x轴方向与y轴方向的导热率，kx＝ky＝130W/(m·K)；Ni与Nj为单元C0型单元插值函数：Ni(xj,yj)＝0，当i≠j；Ni(xj,yj)＝1，当i＝j；式中i,j为单元节点序号，取1,2,3,4；(xj,yj)为节点坐标；采用的离散单元为四节点的矩形单元，单元插值函数分别为：通过材料插值模型将单元热传导矩阵组装成结构总体热传导矩阵KT：式中qT为单元热传导矩阵的插值系数；材料插值模型为材料属性有理近似模型RAMP，在单元刚度矩阵组装总体刚度阵时，RAMP插值模型的插值系数qE＝8；单元热传导矩阵的插值系数qT＝2；(5)结构热固耦合场分析：基于步骤(4)的结构总体热传导矩阵和步骤(1)中的温度边界条件和温度载荷，利用加权余量法将二维稳态的热传导微分方程等效为积分形式，得到结构热传导有限元方程：KTT＝P；求解法求出结构的温度场T；式中T为结构单元节点温度矩阵，P为温度载荷矩阵；引入温度场后，物体由于热变形将产生线应变α△T，α为材料线膨胀系数，△T为温差；这种由于热变形产生的应变能够看作物体的初应变ε0，对于各向同性材料平面问题，ε0的表达式：ε0＝α[110]T△T；存在初应变的情况下，连续体结构的应力应变本构关系：σ＝D(ε-ε0)；由温度应变引起的单元热应力载荷：式中β(xe)为热应力系数，表达式为：其中qβ＝2，E与ν分别为材料的弹性模量与泊松比，组装单元热应力载荷得到总体结构热应力载荷：利用顺序耦合的分析方法热变形引起的热应力载荷项Fth累加机械外载荷Fm作为载荷项用于电池包结构，结构热固耦合有限元方程：KU＝F＝Fth+Fm；由步骤(4)中的总体刚度阵求解结构的位移场U；(6)结构柔度和温度灵敏度分析：令柔度最小作为目标函数，基于步骤(5)求得的位移场U，联立结构总体刚度矩阵求解结构柔度：式中ue为单元位移矩阵，求和符号表示累加；基于步骤(5)的温度场T，第i节点温度ti通过以下公式得到：式中Pi0为单位虚温度载荷，第i元素为1，其余元素为0，Pi0为常向量，为Pi0的转置矩阵；热源节点温度ti对设计变量xe的敏度：

【专利技术属性】
技术研发人员：祝雪峰，邹亚东，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21