CN113422139B - 一种电池总成、电动车辆及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新能源汽车技术领域，具体涉及一种电池总成、电动车辆及设计方法。电池总成包括下箱体和液冷板，下箱体包括边框、纵梁和横梁。边框包括前梁、后梁和侧边梁；纵梁两端分别固定连接于前梁和后梁，底面设置有多个第一凸台；多个横梁相互平行设置，两端分别固定连接两面侧边梁，横梁和纵梁交叉固定连接，横梁底面设置有多个第二凸台；液冷板包括贯穿的多个第一安装口和多个第二安装口，液冷板固定连接于下箱体，第一安装口卡接第一凸台，第二安装口卡接第二凸台，液冷板上表面连接电池模组。本发明的电池总成，液冷板承重能力强，结构布置简单且集成度高、空间利用率高；电动车辆的电池模组安全性能高；设计方法用于设计上述液冷板。

Description

一种电池总成、电动车辆及设计方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，尤其涉及一种电池总成、电动车辆及设计方法。
背景技术
目前，新能源汽车的发展前景非常广阔。新能源汽车具有能量效率高、零排放、无污染、比能量高、噪音低、可靠性高等优点。动力电池系统作为新能源电池车的主要储能部件，主要保证整车的行驶、高低压零部件的用电需求、制动能量回收、混合动力发动机系统能量调节等功能。电池总成的下箱体与液冷板作为电池总成的结构保护和实现热管理功能的核心部件，其重要性不言而喻。现有的电池模组多采用CTP电池总成(集成化电池总成)，电池的液冷板承重，容易造成液冷板破坏，有很高的失效风险，安全性能较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池总成、电动车辆及设计方法，电池总成中的液冷板与下箱体高度集成，液冷板承重能力强，结构布置简单、空间利用率高、结构件集成度高、电池模组安全性能高。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，提供一种电池总成，包括：
下箱体，所述下箱体包括：
边框，所述边框包括前梁、后梁和两面侧边梁，所述侧边梁的两端分别固定连接于所述前梁和所述后梁；
至少一个纵梁，所述纵梁的两端分别固定连接于所述前梁和所述后梁，所述纵梁的底面设置有多个第一凸台，多个所述第一凸台沿所述纵梁的长度方向间隔均匀设置；以及
多个横梁，多个所述横梁相互平行设置，所述横梁的两端分别固定连接两面所述侧边梁，所述横梁和所述纵梁交叉固定连接，所述横梁的底面设置有多个第二凸台；
液冷板，所述液冷板包括贯穿的多个第一安装口和多个第二安装口，所述液冷板固定连接于所述下箱体，所述第一安装口卡接所述第一凸台，所述第二安装口卡接所述第二凸台，所述液冷板的上表面能够固定连接电池模组，所述液冷板被配置为冷却所述电池模组。
作为本发明的一种优选结构，所述液冷板包括：
上板，所述上板的上表面抵接所述纵梁的下表面和所述横梁的底面；
下板，所述下板设置有多条相互连通的流道，所述下板贴合于所述上板的下表面，并封闭所述流道，所述流道包括出水端和入水端；
出水管接头，所述出水管接头固定连接于所述上板，所述出水管接头连通于所述出水端；以及
入水管接头，所述入水管接头固定连接于所述上板，所述入水管接头连通于所述入水端。
作为本发明的一种优选结构，所述第二凸台为阶梯状凸台，包括凸台一和凸台二，所述凸台一固定连接于所述凸台二，所述凸台二固定连接于所述横梁，所述凸台二的宽度大于所述横梁的宽度。
作为本发明的一种优选结构，所述凸台二卡接所述上板的所述第二安装口，所述凸台一卡接所述下板的所述第二安装口。
作为本发明的一种优选结构，所述前梁包括两个水管安装口，所述出水管接头和所述入水管接头均包括连接凸台，所述连接凸台卡接于所述水管安装口。
作为本发明的一种优选结构，所述液冷板还包括：
多条绝缘条，所述绝缘条固定连接于所述上板的上表面，多条所述绝缘条相互平行且间隔均匀设置；
导热结构，所述导热结构设置于所述上板的上表面，所述导热结构抵接所述电池模组；以及
多个固定柱，多个所述固定柱固定连接于所述上板，所述固定柱被配置为固定外部设备。
作为本发明的一种优选结构，所述流道包括：
三条总流道，三条所述总流道并联设置，所述总流道包括入水口和出水口，三个所述入水口均连通所述入水管接头，三个所述出水口均连通所述出水管接头；所述总流道设有四条分流道，四条所述分流道并联设置；
扰流结构，所述扰流结构被配置为调节三条所述总流道的流量分配。
作为本发明的一种优选结构，所述扰流结构包括扰流环和扰流道。
一方面，提供一种电动车辆，包括上述的电池总成。
另一方面，提供一种设计方法，用于设计上述的液冷板，包括以下步骤：
步骤S1、在设计软件中输入电池模组的数量，设计总流道的数量；
步骤S2、在每个所述总流道中设计分流道的数量，其中，所述分流道(2414)的数量为2～5条；
步骤S3、在所述总流道中设计扰流结构；
步骤S4、采用计算流体动力学仿真，调节所述总流道的流量分配。
本发明的有益效果：本发明所提供的电池总成，取消下箱体底面结构，液冷板与下箱体直接连接，在电池单体发生热失控时，电池模组的热量会迅速通过液冷板传递给下箱体，有效延缓热失控；下箱体受到的力也可以快速传递给液冷板，液冷板内部的冷却液可以针对汽车行驶过程中电池总成的振动起到阻尼减振的作用，延缓振动频率，增强系统抵抗振动的能力；边框可以保护液冷板，防止被压溃，保证电池总成的侧碰性能，提升安全性能。液冷板与下箱体的第一凸台、第二凸台相互固定连接完成电池总成的密封，第一凸台、第二凸台可以有效承载电池模组的部分重量，将电池模组的重量分散至多个结构，降低液冷板局部受力的压力，减轻液冷板承载的电池模组重量，避免应力过度集中，提升电池总成整体的承载强度。纵梁和横梁之间形成多个独立空间，每个独立空间均可放置单独的电池模组，不同空间区域之间的纵梁和横梁可以有效阻隔电池模组的热量蔓延、高压拉弧。液冷板与下箱体的一体化设计，可以提升液冷板的寿命，减小长时间工况使用冷却液对液冷板冲击造成的疲劳破坏。电动汽车的电池总成空间布置简单，实现高度集成化设计，提升空间利用率和结构强度，安全性能高、冷却效果好。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的电池总成的结构示意图一；
图2是本发明实施例一提供的电池总成的结构示意图二；
图3是本发明实施例一提供的下箱体的结构示意图一；
图4是图3中A部分的局部放大结构示意图；
图5是本发明实施例一提供的液冷板的结构示意图一；
图6是图5中B部分的局部放大结构示意图；
图7是本发明实施例一提供的液冷板的结构示意图二。
图中：
1、下箱体；11、边框；111、前梁；1111、水管安装口；112、后梁；113、侧边梁；12、纵梁；121、第一凸台；13、横梁；131、第二凸台；1311、凸台一；1312、凸台二；
2、液冷板；21、第一安装口；22、第二安装口；23、上板；24、下板；241、流道；2411、出水端；2412、入水端；2413、总流道；2414、分流道；2415、扰流环；2416、扰流道；25、出水管接头；251、连接凸台；26、入水管接头；27、绝缘条；28、固定柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
实施例一
如图1-图7所示，本发明实施例提供一种电池总成，包括下箱体1和液冷板2。下箱体1包括边框11、至少一个纵梁12、多个横梁13。边框11包括前梁111、后梁112和两面侧边梁113，侧边梁113的两端分别固定连接于前梁111和后梁112；纵梁12的两端分别固定连接于前梁111和后梁112，在本实施例中，电池总成设置有一根纵梁12，位于下箱体1的中间，电池总成同时设置有两根相互平行的横梁13；在其他实施例中，也可以根据电池模组的数量和体积大小，设置其他数量的纵梁12和横梁13，并不以本实施例为限。纵梁12的底面设置有多个第一凸台121，多个第一凸台121沿纵梁12的长度方向间隔均匀设置。横梁13的两端分别固定连接两面侧边梁113，多个横梁13相互平行设置；横梁13和纵梁12交叉固定连接，在本实施例中，可将纵梁12分为多根短梁，分别与前梁111、后梁112和多根平行设置的纵梁12固定连接，从而组合成一根纵梁12，并形成横梁13和纵梁12交叉连接的鱼骨状框架。横梁13的底面设置有多个第二凸台131。液冷板2包括贯穿的多个第一安装口21和多个第二安装口22，液冷板2固定连接于下箱体1，第一安装口21卡接第一凸台121，第二安装口22卡接第二凸台131，且液冷板2的侧面与下箱体1固定连接，液冷板2与下箱体1的连接方式包括但不限于搅拌摩擦焊接、铆钉连接、结构胶粘接，本实施例在此不做限制。液冷板2的上表面能够固定连接电池模组，液冷板2被配置为冷却电池模组。优选地，边框11、纵梁12和横梁13可采用铝合金、钛合金、铁合金等高强度金属材料，其中，横梁13为一体型材挤出，具有较好的结构强度。下箱体1上还设置有肩部吊耳和后部吊耳，用于固定连接外部结构件；下箱体1的结构件之间的连接方式可采用搅拌摩擦焊接、弧焊等，可根据结构的具体形状和位置进行选择。在本实施例中，下箱体1共设置有四个第二凸台131和三个第一凸台121，作为液冷板2与下箱体1的固定位置点；液冷板2与下箱体1的固定位置和固定点数量需要结合液冷板2的受力情况进行理论计算，通常固定点数量为4～10处，本实施例在此并不做限制。
本发明实施例的电池总成，下箱体1设置在电池模组四周，下箱体1没有底面结构，液冷板2与下箱体1直接连接，一旦电池单体发生热失控时，电池模组的热量会迅速通过液冷板2传递给下箱体1，有效延缓热失控；下箱体1所受到的力也可以快速传递到液冷板2内部，液冷板2内部的冷却液可以针对汽车行驶过程中整个电池总成的振动起到阻尼减振的作用，延缓振动频率，增强系统抵抗振动的能力；边框11可以保护液冷板2，防止被压溃，保证电池总成的侧碰性能，提升安全性能。液冷板2与下箱体1的第一凸台121、第二凸台131相互固定连接完成电池总成的密封，第一凸台121、第二凸台131可以有效承载电池模组的部分重量，将电池模组的重量分散至多个结构，降低局部受力的压力，减轻液冷板2承载的电池模组重量，避免应力过度集中，提升电池总成整体的承载强度；纵梁12和横梁13之间形成多个独立空间，每一个独立空间都可以放置单独的电池模组，不同空间区域之间的纵梁12和横梁13可以有效阻隔电池模组的热量蔓延、高压拉弧。液冷板2与下箱体1的一体化设计，可以提升液冷板2的寿命，减小长时间工况使用冷却液对液冷板2冲击造成的疲劳破坏。电池总成空间布置简单，实现高度集成化设计，提升空间利用率和结构强度，安全性能高、冷却效果好。
进一步地，液冷板2包括上板23、下板24、出水管接头25和入水管接头26。上板23的上表面抵接纵梁12的下表面和横梁13的下表面，上板23为平面板；下板24设置有多条相互连通的流道241，下板24贴合于上板23的下表面，并封闭流道241，上板23和下板24可采用钎焊进行固定连接，优选地，电池模组的固定边界距离液冷板2自身钎焊位置的距离为10～20mm，避免影响电池模组性能。流道241包括出水端2411和入水端2412；出水管接头25固定连接于上板23上，出水管接头25连通于出水端2411；入水管接头26固定连接于上板23上，入水管接头26连通于入水端2412，形成热管理闭合回路。本实施例的液冷板2的水管接头较少，避免在电池包内部造成凝露，影响电池模组性能。优选地，上板23和下板24可使用冲压铝板、吹胀铝板等，本实施例不一一列举。出水管接头25和入水管接头26设置于液冷板2的前端，便于伸出电池总成外部。
进一步地，第二凸台131为阶梯状凸台，包括凸台一1311和凸台二1312，凸台一1311固定连接于凸台二1312，凸台二1312固定连接于横梁13，凸台二1312的宽度大于横梁13的宽度。凸台二1312卡接上板23的第二安装口22，凸台一1311卡接下板24的第二安装口22。其中，凸台一1311的宽度为2～10mm，凸台二1312的宽度比凸台一1311的宽度长5～8mm，避免过宽的第二凸台131影响电池模组的固定。阶梯状凸台能增强液冷板2与下箱体1的连接强度，提高电池总成整体的密封性能。优选地，凸台一1311与下板24通过焊接进行连接，凸台二1312与上板23采用密封胶进行连接，避免上板23的焊缝影响电池模组的固定；除此之外，上板23抵接纵梁12和横梁13的位置涂抹密封胶，进一步增强密封性能。
进一步地，前梁111包括两个水管安装口1111，出水管接头25和入水管接头26均包括连接凸台251，连接凸台251卡接于水管安装口1111。优选地，出水管接头25和入水管接头26还包括限位台，连接凸台251设置于限位台上，限位台用于对出水管接头25和入水管接头26的位置进行限制，保证液冷板2与下箱体1的相对位置准确。优选地，连接凸台251与水管安装口1111采用焊接进行固定连接，实现电池总成整体的完全密封，避免采用密封圈等结构可能带来的失效风险；同时，出水管接头25和入水管接头26与前梁111的焊接连接能增强下箱体1前端的结构强度，提升液冷板2的结构强度。本实施例的电池总成内部没有水管接头，降低了接头失效带来的冷却液泄露风险，通过将出水管接头25和入水管接头26与液冷板2焊接成一体，可以节省水管接头的安装时间，降低人工操作造成的安装失误以及泄露风险。
进一步地，液冷板2还包括多条绝缘条27、导热结构和多个固定柱28。绝缘条27固定连接于上板23的上表面，多条绝缘条27间隔均匀设置；导热结构设置于上板23的上表面，导热结构抵接电池模组；多个固定柱28固定连接于上板23，固定柱28被配置为固定外部设备。液冷板2与电池模组之间通过导热结构相互传热，导热结构包括但不限于导热胶、导热垫等，本实施例在此不再一一列举。绝缘条27用于实现电池模组与液冷板2的绝缘，并限制导热结构的高度，绝缘条27的材料包括但不限于云母片、PC、聚氨酯等非金属高绝缘性材料。固定柱28布置在上板23前端且下部没有流道241的位置，固定柱28可采用M5-M8的螺纹柱；优选地，将多个固定柱28集中设置在上板23前端靠近前梁111的区域。本实施例的液冷板2具有较强的结构承载能力，可通过集中布置固定柱28，使自身具有连接外部设备的能力。
进一步地，流道241包括三条总流道2413和扰流结构。三条总流道2413并联设置，总流道2413包括入水口和出水口，三个入水口均连通入水管接头26，三个出水口均连通出水管接头25；总流道2413包括四条分流道2414，四条分流道2414并联设置；扰流结构被配置为调节三条总流道2413的流量分配，通过扰流结构，可使得三条总流道2413的流量均匀，提升液冷板2整体的冷却性能。本实施的流道241结构简单，工作效率高，冷却效果好。
进一步地，扰流结构包括扰流环2415和扰流道2416。如图7所示，三条并联的总流道2413离入水管接头26和出水管接头25的距离不同，流环2415设置在靠近入水管接头26和出水管接头25的总流道2413内，扰流道2416设置在总流道2413的入水口和出水口处。优选地，扰流环2415和扰流道2416的数量及位置，可根据计算流体动力学仿真进行计算，本实施例在此不做限制。
实施例二
本实施例提供一种电动车辆，包括实施例一中的电池总成。电动车辆采用实施例一中的电池总成，实现液冷板2与下箱体1的高度集成，液冷板2内部流道241和入水管接头26、出水管接头25的集成化，提升电池总成的安全性能，统筹液冷板2对电池模组或者单体的固定承载与热管理功能，可以在保证电池总成的功能基础上，有效保证电池总成的安全，实现电池总成的轻量化设计，降低研发成本。
实施例三
本实施例提供一种设计方法，用于设计实施例一、实施例二中的液冷板2，包括以下步骤：
步骤S1、在设计软件中输入电池模组的数量，设计总流道2413的数量；
并联设计的总流道2413可以增强电池总成的机械可靠性，提升整体疲劳性能。在本实施例中，电池模组的数量是总流道2413数量的两倍，在其他实施例中，也可以根据电池模组的数量和体积大小，设置其他数量的总流道2413，并不以本实施例为限。
步骤S2、在每个总流道2413中设计分流道2414，其中，分流道2414的数量为2～5条；
通过液冷板2的压降计算并联的分流道2414，常用的分流道2414数量为3～6条。通过多条分流道2414并联设置，提升液冷板2的整体冷却性能。
步骤S3、在总流道2413中设计扰流结构；
扰流结构用于为调节多条总流道2413的流量分配，通过扰流结构，可使得多条总流道2413的流量均匀分配，其中，扰流环2415和扰流道2416的数量及位置，可根据计算流体动力学仿真进行计算。
步骤S4、采用计算流体动力学仿真(CFD仿真)，调节总流道2413的流量分配；
根据每条总流道2413入水口处到入水管接头26的距离，实现总流道2413的入水口口径从小到大设置，提升液冷板2整体的冷却性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电池总成，其特征在于，包括：
下箱体(1)，所述下箱体(1)包括：
边框(11)，所述边框(11)包括前梁(111)、后梁(112)和两面侧边梁(113)，所述侧边梁(113)的两端分别固定连接于所述前梁(111)和所述后梁(112)；
至少一个纵梁(12)，所述纵梁(12)的两端分别固定连接于所述前梁(111)和所述后梁(112)，所述纵梁(12)的底面设置有多个第一凸台(121)，多个所述第一凸台(121)沿所述纵梁(12)的长度方向间隔均匀设置；以及
多个横梁(13)，多个所述横梁(13)相互平行设置，所述横梁(13)的两端分别固定连接两面所述侧边梁(113)，所述横梁(13)和所述纵梁(12)交叉固定连接，所述横梁(13)的底面设置有多个第二凸台(131)，所述第二凸台(131)为阶梯状凸台，包括凸台一(1311)和凸台二(1312)，所述凸台一(1311)固定连接于所述凸台二(1312)，所述凸台二(1312)固定连接于所述横梁(13)，所述凸台二(1312)的宽度大于所述横梁(13)的宽度；
液冷板(2)，所述液冷板(2)包括贯穿的多个第一安装口(21)和多个第二安装口(22)，所述液冷板(2)固定连接于所述下箱体(1)，所述第一安装口(21)卡接所述第一凸台(121)，所述第二安装口(22)卡接所述第二凸台(131)，所述液冷板(2)的上表面能够固定连接电池模组，所述液冷板(2)被配置为冷却所述电池模组。
2.根据权利要求1所述的电池总成，其特征在于，所述液冷板(2)包括：
上板(23)，所述上板(23)的上表面抵接所述纵梁(12)的底面和所述横梁(13)的下表面；
下板(24)，所述下板(24)设置有多条相互连通的流道(241)，所述下板(24)贴合于所述上板(23)的下表面，并封闭所述流道(241)，所述流道(241)包括出水端(2411)和入水端(2412)；
出水管接头(25)，所述出水管接头(25)固定连接于所述上板(23)，所述出水管接头(25)连通于所述出水端(2411)；以及
入水管接头(26)，所述入水管接头(26)固定连接于所述上板(23)，所述入水管接头(26)连通于所述入水端(2412)。
3.根据权利要求2所述的电池总成，其特征在于，所述凸台二(1312)卡接所述上板(23)的所述第二安装口(22)，所述凸台一(1311)卡接所述下板(24)的所述第二安装口(22)。
4.根据权利要求2所述的电池总成，其特征在于，所述前梁(111)包括两个水管安装口(1111)，所述出水管接头(25)和所述入水管接头(26)均包括连接凸台(251)，所述连接凸台(251)卡接于所述水管安装口(1111)。
5.根据权利要求2所述的电池总成，其特征在于，所述液冷板(2)还包括：
多条绝缘条(27)，所述绝缘条(27)固定连接于所述上板(23)的上表面，多条所述绝缘条(27)相互平行且间隔均匀设置；
导热结构，所述导热结构设置于所述上板(23)的上表面，所述导热结构抵接所述电池模组；以及
多个固定柱(28)，多个所述固定柱(28)固定连接于所述上板(23)，所述固定柱(28)被配置为固定外部设备。
6.根据权利要求2所述的电池总成，其特征在于，所述流道(241)包括：
三条总流道(2413)，三条所述总流道(2413)并联设置，所述总流道(2413)包括入水口和出水口，三个所述入水口均连通所述入水管接头(26)，三个所述出水口均连通所述出水管接头(25)；所述总流道(2413)设有四条分流道(2414)，四条所述分流道(2414)并联设置；
扰流结构，所述扰流结构被配置为调节三条所述总流道(2413)的流量分配。
7.根据权利要求6所述的电池总成，其特征在于，所述扰流结构包括扰流环(2415)和扰流道(2416)。
8.一种电动车辆，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的电池总成。
9.一种设计方法，用于设计权利要求1-7任一项所述的液冷板(2)，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、在设计软件中输入电池模组的数量，设计总流道(2413)的数量；
步骤S2、在每个所述总流道(2413)中设计分流道(2414)的数量，其中，所述分流道(2414)的数量为2～5条；
步骤S3、在所述总流道(2413)中设计扰流结构；
步骤S4、采用计算流体动力学仿真，调节所述总流道(2413)的流量分配。
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