CN107887669B - 一种金属散热动力电池包结构设计方法及电池包 - Google Patents

一种金属散热动力电池包结构设计方法及电池包 Download PDF

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Abstract

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。

Description

一种金属散热动力电池包结构设计方法及电池包
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，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，Pi 0为常向量，为Pi 0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：
Ti T＝KT -1Pi 0；
(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。ti l与ti u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)))≤0.001or loop≥200；
式中的xl为上次迭代的设计变量矩阵，x为当前设计变量矩阵，loop为循环次数。
进一步地，所述步骤(1)中的平面结构，基于最优拓扑在厚度方向拉伸为三维的电池包结构。
进一步地，所述的铝合金材料的弹性模型为68GPa，泊松比为0.33，热膨胀系数为2.32*10-5/℃，热传导率为130W/(m·K)。考虑到动力电池的平面尺寸和电池与电池包结构之间的预留空隙，所述的圆域的直径为1.9cm。
进一步地，动力电池的平面尺寸和电池与电池包结构之间的预留空隙，其填充导热硅胶片。
进一步地，所述步骤(5)中加权余量法采用伽辽金法，有限元方程中的系数矩阵K或KT具有对称性。
进一步地，所述步骤(8)中网格过滤在结构拓扑优化设计中，只在前130次优化循环中激活。
进一步地，所述步骤(9)中材料用量百分比f＝62％。
进一步地，所述步骤(9)中温度约束值分别为
进一步地，所述步骤(10)中优化算法为移动渐近线方法。
本发明还提供了一种利用动力电池包结构设计方法设计的动力电池包。
本发明提供的动力电池包结构设计方法是一种探索性的电池包结构设计方法。与传统的电池包系统相比，设计的电池包结构，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
附图说明
图1是本发明所述的动力电池包结构设计方法总体流程图；
图2是本发明所述的动力电池包结构设计方法初始化结构图；
图3是本发明所述的结构热固耦合分析流程图；
图4是本发明所述的敏度分析的结构图；
图5是本发明所述的非设计域与设计域结构图；
图6是本发明所述的最优动力电池包平面结构图；
图7是本发明所述的最优动力电池包平面结构后处理图；
图8是本发明所述的一种动力电池包结构设计方法建立的电池包结构图；
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下实施只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种动力电池结构设计方法，即通过热固耦合的结构拓扑优化方法优化电池包结构，包括以下步骤：
1)定义材料、边界和载荷
本发明设计的动力电池包结构面向25个动力18650锂电池。在通常的工况下，电池内部产生的热量从圆柱体侧面通过其他介质传导，如空气或者冷却液，可以认为热量在圆柱侧面均匀分布，因此在电池包结构拓扑优化设计时，动力锂电池可以等价为平面结构；
考虑到电池包结构对良好导热性、较大刚度和质量轻的需要，设计的电池包结构使用的材料为铝合金材料；
设计的电池包结构依靠结构自身通过热传导方式把电池组生成的热量散发到空气中；结合实际散热机理，本发明认为在通常情况下，电池包结构通过四个侧面与恒温的空气进行热交换，此时初始设计域的平板四边温度T＝25℃作为温度边界条件；
通常情况下，电池包内只存在由电池组生热引起的温度载荷这一种载荷形式，然而在碰撞滥用工况下，电池包结构还受到机械外载荷；
所述的电池包最优拓扑结构是平面结构，最终的电池包结构基于最优拓扑在厚度方向拉伸为三维的电池包结构；
所述的铝合金的弹性模型为68GPa，泊松比为0.33，热膨胀系数为2.32*10-5/℃，热传导率为130W/(m·K)；
所述的电池包结构的热传导散热方式占主导，不考虑热对流和热辐射；
所述的电池单元生热等效为一点热源生热，点热源生热功率为2.5W，此方法降低了施加温度载荷的复杂性；
所述的机械外载荷：电池包结构四个侧面均受到均布力1200N。
2)定义非设计域与设计域
结构拓扑优化设计是在给定的材料和设计域内，通过优化设计方法可得到满足约束条件又使目标函数最优的结构布局形式及构件尺寸。在优化设计过程中，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；如图5所示，黑色区域为非设计域，白色区域为设计域；在迭代优化过程中非设计域不变化；
考虑到动力电池的平面尺寸和电池与电池包结构之间的预留空隙，所述的圆域的直径为1.9cm；所述的非设计域平板四边的宽度为0.2cm；
所述的预留空隙用来填充导热硅胶片，起到绝缘、缓冲、导热的作用。
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；近似解的精确度与离散单元的个数有关：单元数越多，近似解近似程度越好，但计算量增加，离散单元的划分需兼顾精确度与计算量；电池包平面结构的边长为18cm×18cm；
所述的离散单元为四节点线性矩形单元，每个单元的边长均为0.2cm；
所述的离散单元在x轴方向和y轴方向各分布90个。
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可以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，可以去掉；设计变量的个数与离散单元一致，即为一90×90的矩阵；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，本发明采用的材料属于各向同性导热材料，即kx＝ky＝130W/(m·K)；Ni与Nj为单元C0型单元插值函数，它具有下述性质：
Ni(xj,yj)＝0，当i≠j；Ni(xj,yj)＝1，当i＝j； (5)
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；
所述的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；
所述的单元热传导矩阵的插值系数qT＝2；
所述的单元刚度阵与单元热传导阵组装并不是简单的求和，而是按照单元的节点自由度编码，“对号入座”地叠加到结构总体刚度阵与总体热传导矩阵的相应位置上。
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(8)
便可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可以看作物体的初应变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) (9)
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(13)
由步骤4)中的总体刚度阵求解结构的位移场U；
所述的加权余量法采用伽辽金法，有限元方程中的系数矩阵K或KT具有对称性，有益于减少计算量；
所述的组装单元热应力载荷不是各单元热应力载荷的累加，而是按照单元的节点自由度编码，“对号入座”地叠加到结构总体热应力载荷的相应位置上；
所述的顺序耦合的分析方法：首先求出结构的温度场，然后计算由温度场引起的热应力，同时累加机械外载荷一起作用于电池包结构，最后根据结构热固耦合场有限元方程求解结构位移场。
6)结构柔度和温度灵敏度分析
结构的柔度越小，刚度也就越大，在此优化问题中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可以通过以下公式得到：
式中为单位虚温度载荷，它的第i元素为1，其余元素为0，Pi 0为常向量，为Pi 0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：
Ti T＝KT -1Pi 0 (17)
7)柔度敏度分析
结构灵敏度分析可以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。
把式(19)带入式(18)得到柔顺度敏度表达式：
8)网格过滤消除棋盘格问题
棋盘格式是结构拓扑优化中常见的一种数值不稳定现象，即材料的分布呈现有无交替的规律，导致优化结构的可制造性较差。采用网格敏度过滤方法可以在一定程度上抑制这种数值不稳定性出现。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，从而或得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。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
所述的网格过滤在本发明结构拓扑优化设计中，只在前130次优化循环中激活；相对于在全部循环中激活，前者得到的最优电池包结构优于后者的最优结构；
所述的过滤半径的设置需要考虑单元的网格密度，在这里取rmin＝2.1。
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。ti l与ti u分别为第i节点温度的下限约束值和上限约束至；
所述的材料用量百分比考虑到动力电池包结构轻量化设计的要求，取f＝62％；
所述的温度约束考虑到电池组电池单元的一致性，需要控制每个电池单元在合适的温度范围内工作，温度约束值分别为ti l＝33℃，ti u＝35℃。
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；
所述的收敛条件：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)))≤0.001or loop≥200 (25)
式中的xl为上次迭代的设计变量矩阵，x为当前设计变量矩阵，loop为循环次数；
所述的优化算法为移动渐近线方法，此算法在处理多约束的问题时具有较高的优化效率；
所述的最优动力电池包平面结构如图6所示，白色区域表示空洞区域，黑色区域表示有材料分布；
基于动力电池包结构设计方法得到的最优动力电池包平面结构，本发明还建立了三维动力电池包结构，如图8所示，25个空洞圆柱是18650动力锂电池所在的位置；
所述的最优动力电池包平面结构中的灰色区域的单元相对密度接近于0，在后处理中需要去掉这些灰色单元区域；
所述的最优动力电池包平面结构的边界需要光滑化处理，同时考虑到可制造性，尺寸较小的洞隙填充了材料，得到的最优动力电池包平面结构后处理图，如图7所示；
所述的三维动力电池包结构是最优动力电池包后处理平面结构在电池包厚度方向拉伸6.5cm的结果，不考虑电池包结构的上面和底面覆盖面。
实施例：
以设计含有25个18650锂离子动力电池包结构为例：
动力电池结构如图8所示，结构的整体尺寸为18cm×18cm×6.5cm，25个动力电池均匀分布在圆柱筒中；动力电池包结构使用铝合金材料，电池与结构之间填充的导热硅胶片起绝缘、导热、缓冲等作用。
动力电池包结构设计方法总体流程如图1所示，具体步骤如下：
参照图2，确定动力电池包结构设计流程，从步骤S200开始：
步骤S201：尺寸为18cm×18cm的平板在x轴方向与y轴方向离散单元数目均为90；
步骤S202：过滤半径设置为2.1；
步骤S203：单元刚度阵插值系数与热传导阵插值系数分别为8与2；
步骤S204：体积分数设置为62％；
步骤S205：设置材料的弹性模量为68GPa，泊松比为0.33，热膨胀系数为2.32×10-5/℃，热传导率为130W/(m·K)；
步骤S206：设置动力电池所在圆域和电池包边缘为非设计域；单元的相对密度作为设计变量，非设计域内的设计变量初始值为1，设计域的设计变量初始值为0.62。
参照图3，结构热固耦合分析如下：
步骤S300：推导单元实体热传导矩阵组装成结构热传导矩阵KT；
步骤S301：温度边界条件为平板四边缘温度T＝25℃，同时动力锂电池所在25个圆域圆心对应的节点的温度载荷为P＝2.5W；
步骤S302：推导热传导有限元方程KTT＝P；
步骤S303：求解结构温度场T；
步骤S304：依据步骤S303中的温度场，求解由施加温度场后引起的结构热应力载荷Fth；
步骤S305：平板四边受均布力1200N作为机械外载荷Fm，同时累加步骤S304中的热应力载荷一起作用于结构；
步骤S306：推导实体单元刚度矩阵k0，组装成结构刚度矩阵K；
步骤S307：平板中心处节点的x轴方向与y轴方向位移为0；
步骤S308：推导结构热固耦合有限元方程KU＝F＝Fth+Fm；
步骤S309：求解结构位移场U；
步骤S310：求解结构柔度C＝UTKU，柔度最小作为动力电池包结构优化的目标函数。
参照图4，基于以上求得的结构柔度，进入步骤S400敏度分析：
步骤S401：引入热源节点温度约束，使电池单体均处于33-35℃之间，然后求解热源节点温度对设计变量的敏度
步骤S402：基于步骤S310的柔度和步骤S401的温度敏度，求解结构柔度对设计变量的敏度
步骤S403：使用移动渐近线优化算法更新设计变量得到新的动力电池包平面拓扑结构；
需要进一步说明的是，使用移动渐近线法之前要进行主要的参数设置，包括：
1)约束方程个数为51，包括体积约束和热源上下限温度约束；
2)设计变量个数为离散单元数8100；
3)体积约束方程和温度约束方程；
4)步长设置为0.5；
步骤S404：更新设计变量后，判断收敛条件是否满足；若满足，执行以下的步骤；若不满足，返回步骤S300，按顺序执行各个步骤，继续判断收敛条件是否满足，不断循环直至收敛条件成立；
步骤S405：考虑到结构的可制造性，以上得到的最优电池包平面结构需要后处理，后处理过程包括结构边界光滑化处理、去除灰度单元、填充尺寸较小的空隙、去除25个直径1.9cm动力电池圆域；
步骤S406：在z轴方向拉伸电池包后处理平面结构到6.5cm便可得到动力电池包结构。
尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (10)

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；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αΔT，α为材料线膨胀系数，ΔT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]TΔT；
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Pi 0为单位虚温度载荷，第i元素为1，其余元素为0，Pi 0为常向量，为Pi 0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：
Ti T＝KT -1Pi 0；
(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，ti l与ti u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)))≤0.001 or loop≥200；
式中的xl为上次迭代的设计变量矩阵，x为当前设计变量矩阵，loop为循环次数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的平面结构，基于最优拓扑在厚度方向拉伸为三维的电池包结构。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的铝合金材料的弹性模型为68GPa，泊松比为0.33，热膨胀系数为2.32*10-5/℃，热传导率为130W/(m·K)，考虑到动力电池的平面尺寸和电池与电池包结构之间的预留空隙，所述的圆域的直径为1.9cm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：动力电池的平面尺寸和电池与电池包结构之间的预留空隙，其填充导热硅胶片。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)中加权余量法采用伽辽金法，有限元方程中的系数矩阵K或KT具有对称性。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(8)中网格过滤在结构拓扑优化设计中，只在前130次优化循环中激活。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(9)中材料用量百分比f＝62％。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(9)中温度约束值分别为ti l＝33℃，ti u＝35℃。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(10)中优化算法为移动渐近线方法。
10.一种利用如上述权利要求1-9任一项所述的动力电池包结构设计方法设计的动力电池包。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109117493B (zh) * 2018-06-20 2022-04-26 江铃汽车股份有限公司 散热器台架热性能数据处理方法
CN109522622B (zh) * 2018-10-31 2023-04-18 中国运载火箭技术研究院 一种多自由度太阳电池阵在轨载荷工况确定方法及系统
CN111027110B (zh) * 2019-11-27 2023-06-30 中国科学院光电技术研究所 一种连续体结构拓扑与形状尺寸综合优化方法
CN111159828A (zh) * 2019-12-31 2020-05-15 惠州亿纬锂能股份有限公司 电池箱散热优化设计方法及其装置、设备及存储介质
CN111370806A (zh) * 2020-03-07 2020-07-03 西北工业大学 一种用于水下航行器的电池组蜂窝状拓扑热传导结构
CN111723486B (zh) * 2020-06-22 2021-05-04 西华大学 一种双面pcb结构稳态热分析方法
CN115292823B (zh) * 2022-10-09 2023-02-17 北京理工大学深圳汽车研究院(电动车辆国家工程实验室深圳研究院) 汽车动力电池包结构优化方法和设备
CN116933610B (zh) * 2023-09-19 2023-12-19 南京航空航天大学 基于fvm原理与导热定律的三维温度场动态重构方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103996804A (zh) * 2014-05-23 2014-08-20 河南速达电动汽车科技有限公司 一种新型电池箱结构
CN105653779A (zh) * 2015-12-28 2016-06-08 大连理工大学 基于温度比拟连通性的可制造性约束拓扑优化方法
CN105762324A (zh) * 2008-08-05 2016-07-13 Sakti3有限公司 包含功能梯度部件的电化学电池
CN106845021A (zh) * 2017-02-28 2017-06-13 湘潭大学 基于无网格rkpm的各向异性材料热结构拓扑优化方法
CN107195816A (zh) * 2017-05-10 2017-09-22 江苏理工学院 一种混合动力汽车气囊减震智能电池箱系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105762324A (zh) * 2008-08-05 2016-07-13 Sakti3有限公司 包含功能梯度部件的电化学电池
CN103996804A (zh) * 2014-05-23 2014-08-20 河南速达电动汽车科技有限公司 一种新型电池箱结构
CN105653779A (zh) * 2015-12-28 2016-06-08 大连理工大学 基于温度比拟连通性的可制造性约束拓扑优化方法
CN106845021A (zh) * 2017-02-28 2017-06-13 湘潭大学 基于无网格rkpm的各向异性材料热结构拓扑优化方法
CN107195816A (zh) * 2017-05-10 2017-09-22 江苏理工学院 一种混合动力汽车气囊减震智能电池箱系统

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