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单体可重构的电动汽车动力电池包结构设计毕业论文

 2020-02-17 12:02  

摘 要

电动汽车高速发展的今天,动力电池系统作为其发展的关键和瓶颈,技术研发上也不断地取得突破。正是因为动力电池的重要地位,其结构设计上关系到整体系统的各项性能特点和安全要求,进而影响到整车的综合表现。本文根据课题组内对设计车辆的整车要求以及对动力电池的参数要求,完成电动汽车动力电池包的结构设计和相应的特性分析工作。

首先,本文分析动力电池包设计过程中必须满足的各项安全性要求,确定采用3750个NCR18650型锂离子电池单体,通过50并75串的结构形式构成动力电池包的基本框架。电池包系统整体电池容量达到设计要求的36.5 kW·h,电池总电压为270V,验算其满足理论上最大续航里程达到240km。动力电池包内部结构为5个相同规格的电池模组箱体呈异形T字排布,采用液体散热的冷却方式,防水防尘密闭等级为IP67级,安装于汽车底盘下方,车架纵梁跨度之间。所设计得电池包的总质量预估为364.382kg,计算得功率密度达到555.74 W/kg,基本满足设计要求的包级功率密度目标要求。

其次,完成对所设计的动力电池包进行结构特性分析和校验。运用CATIA三维建模软件完成动力电池从单体级到模组级再到整体包级的实体建模,结合ANSYS有限元分析软件分析验证颠簸+紧急制动、颠簸+紧急转弯两种典型组合工况下动力电池包的结构强度,在ANSYS Workbench平台进行电池包的自由模态强度分析。阐述当前电动汽车在碰撞性能上的要求,碰撞测试的必要性;结合安装位置和结构设计特点,分析了电池包各个方面的防碰撞措施,并模拟纯电动汽车侧面碰撞情景,运用LS-DYNA求解器和LS-PrePost软件对电池包进行模拟侧面碰撞分析。

最后,介绍未来动力电池随着性能的下降,使用寿命到达上限,将会有大量的电池退役报废,当前动力电池循环回收利用上前景广阔;分析目前热点研究话题——“快速换电”的突出优势和面临的难题;结合上述现象重点分析了所设计的电池包可重组可重构性。

关键词: 电动汽车;动力电池;结构设计;强度校验;碰撞性能;单体重构

Abstract

With the rapid development of pure electric vehicles, power battery system is the key of its development, and breakthroughs have been made in technology research and development. Because of the important position of power battery, its structure design is related to the performance characteristics and safety requirements of the whole system, and then affects the comprehensive performance of the vehicle. In this paper, according to the requirements of vehicle design and parameters of power battery, the structure design and corresponding characteristics analysis of power battery pack for pure electric vehicle are completed.

Firstly, this paper analyses the safety requirements that must be met in the design process of power battery pack, and determines that 3750 NCR 18650 lithium-ion battery monomers are used to form the basic framework of power battery pack through 50 and 75 series structure. The overall battery capacity of the battery pack system meets the design requirement of 36.5kW· h, and the total battery voltage is 270V. The theoretical maximum endurance range of the battery pack system is 240 km. The internal structure of the power battery pack is five battery module boxes of the same specifications arranged in a special T-shaped arrangement. The cooling method of liquid heat dissipation is adopted. The waterproof and dust-proof sealing grade is IP67. The power battery pack is installed under the chassis of the automobile, and the span of the longitudinal beam of the frame is between. Basically meet the design objectives. The total mass of the designed battery pack is estimated to be 364.382 kg, and the calculated power density reaches 555.74 W/kg, which basically meets the design requirements of the package level power density target.

Secondly, the structural characteristics of the power battery pack are analyzed and verified. CATIA three-dimensional modeling software is used to complete the solid modeling of power battery from single level to module level and then to whole package level. The structural strength of power battery pack under two typical combined working conditions of bump emergency braking and bump emergency turning is verified by ANSYS finite element analysis software. The free mode strength analysis of power battery pack is carried out on ANSYS Workbench platform. The requirement of collision performance and the necessity of collision test for electric vehicle are expounded. Combining with installation position and structural design characteristics, anti-collision measures in all aspects of battery pack are analyzed, and side collision scenario of pure electric vehicle is simulated. LS-DYNA solver and LS-PrePost software are used to simulate side collision analysis of battery pack.

Finally, with the performance degradation and service life reaching the upper limit, a large number of power batteries will be decommissioned and discarded in the future, and there will be broad prospects for recycling and utilization of power batteries at present. The outstanding advantages and difficulties of the current hot research topic - "rapid power change" are analyzed, and the reconfigurability of the designed battery pack is emphatically analyzed combined with the above phenomena.

Key Words:pure electric vehicle; power battery; structural design; strength check; collision performance; single body reconstruction.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 动力电池包研究现状 1

1.2.1 动力电池发展现状 1

1.2.2 动力电池包结构设计研究现状 2

1.3 论文主要研究内容 5

第2章 动力电池包结构设计 6

2.1 结构设计基本要求 6

2.1.1 整车设计要求 6

2.1.2 安全设计要求 6

2.2 动力电池包系统参数匹配设计 7

2.2.1 单体选型 7

2.2.2 电池容量校核 8

2.2.3 电池电压设计 9

2.2.4 电池系统框架结构设计 10

2.3 电池模组结构设计 11

2.3.1 单体布置方式选择 11

2.3.2 冷却方式比较及选择 12

2.3.3 电池块结构设计 13

2.3.4 电池模组成组设计 16

2.4 电池包结构设计 19

2.4.1 安装位置确定 19

2.4.2 模组布置方式 19

2.4.3 壳体结构设计 20

2.4.4 连接方式确定 20

2.5 其他组件设计 22

2.6 动力电池包功率密度计算 23

2.7 动力电池包结构总览 24

第3章 动力电池包性能有限元分析 25

3.1 电池包有限元分析 25

3.2 模型建立与分析手段概述 25

3.3 动力电池包强度分析 26

3.3.1 典型工况下的电池包结构强度分析 26

3.3.2 动力电池包模态分析 28

3.4 动力电池包碰撞性能分析 30

3.4.1 碰撞测试与碰撞防护分析 30

3.4.2 侧面碰撞情景分析 31

第4章 动力电池包单体可重构分析 34

4.1 动力电池回收利用介绍 34

4.2 电池包换电方式分析 34

4.3 单体可重构分析 35

第5章 总结与展望 37

5.1 总结 37

5.2 展望 37

参考文献 39

致 谢 40

第1章 绪论

引言

紧随着现代社会的高速发展,汽车保有量不断地连年攀升,能源短缺、环境污染和气候变暖等难题也相应出现。零部件的生产制造、化石资源的使用、有害气体的排放都对环境带来诸多负面伤害,能源的穷乏也让汽车行业的发展遇到了瓶颈。纯电动汽车是以电能作为驱动力形式的汽车,相比于过去燃油汽车,电动汽车在无污染,噪声低,能源效率高,结构设计简单等很多方面上都有着十分明显的优势。紧跟时代步伐,积极应对困难,全球各国将电动汽车产业的发展放在优先对待的位置,也纷纷制定了符合各国国情的电动汽车发展战略和技术路线。

如此同时,国内外主流汽车生产企业高度重视电动汽车的发展,不断加大对电动汽车的技术研发及生产力度,并均取得一定成果。国外,日产聆风Leaf、雪佛兰Volt、宝马i3、奔驰Smart、特斯拉Model系列等纯电动汽车车型先后上市,并在销量和产品质量上均得到广大消费者的认可,取得良好的开端,也为国内纯电动汽车产业发展树立良好的标杆作用[1]。“十二五”863计划以来,在国家政策的鼓励下,比亚迪、一汽、东风、奇瑞、吉利等国内大型整车企业迅速推进以及众多新生新能源汽车企业,如北汽新能源、蔚来、威马等先后推出各自的电动汽车。凭借近几年的潜心发展和深厚的市场优势,我国己经成为世界最大的新能源汽车的产销国,新能源汽车产业发展已成为影响国家振兴经济和转变产业结构的关键。

动力电池包研究现状

1.2.1 动力电池发展现状

纵观纯电动汽车的发展,电动汽车的“三电”系统,即电机技术、整车电控技术以及动力电池技术都取得较大突破。虽然纯电动汽车在能源、环境上有卓越优势,逐步引导潮流发展方向,但是目前动力电池制造销售价格较高,几乎占据整车成本的一半以上,并且它会很大程度上影响整车的动力性、经济性和安全性等关键性能,造成整车生产成本较高。因此一直以来,动力电池技术都是电动汽车发展的关键和瓶颈。

就目前动力电池行业的发展,主要用于电动汽车的动力电池类型有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池等。早期较长时间内铅酸电池应用普遍,技术积累充足,价格低廉,然而循环寿命较短,应用逐渐下降。在环境保护方面和回收利用上,镍氢电池有其突出优势。其中这些电池中,大容量锂离子电池不但具有高能量密度和快速充放电能力,以及更长的循环使用寿命等优越性能,得到越来越多的重视与关注,随着材料技术的突破,渐渐成为当下前景最为广阔的产品之一[2]

动力锂离子电池产业方面,美国、日本、韩国等在理论创新和技术上率先取得突破。我国从1980年左右开始研究锂离子电池,在国家计划决策上,动力电池技术发展被视为重心项目,并倾力支持国内企业加大力度开发锂离子电池。日本制造商三洋、索尼、松下处于领导地位,韩国制造商三星、LG化学都具有很强的竞争力,同时国内宁德时代、深圳比亚迪、国轩高科、天津力神等企业不甘落后,在电池技术方面取得巨大进步。根据中国汽车动力电池创新联盟公布的数据,2018年全国动力电池装车量共计56.9GWh,宁德时代以23.5GWh位居榜首第一,同第二的比亚迪11.4GWh以及第三的3.1GWh合肥国轩,三者占总比的66.8%;国际市场上,宁德时代更是从2017年起就跻身全球动力电池企业销量第一。各大国内自主品牌公司对动力电池系统整体研发也是高歌猛进。正是这些不断的努力和尝试,我国动力电池技术的发展才能走在世界前列。

结合当前动力电池发展研究现状以及本课题设计要求,本设计采用锂离子电池作为汽车动力源型式。

1.2.2 动力电池包结构设计研究现状

一般动力电池系统可分为单体级、模组级和包级。单体级:单体即单个电池电芯,是组成模组和电池包的最基本单元;模组级:若干单体电池通过串联或者并联集合而成,构成一个可独立的电池模块,提供更高的电压和电容;包级:一般是由多个电池模组组合,结合电池管理系统、电气结构、冷却系统以及线束、管道安排组织构成,即最终为电动汽车提供动力来源的整体。

目前电动汽车的使用情况看来,在续航里程、使用寿命、安全性等方面尚存在众多的困难。动力电池作为纯电动汽车的唯一的能量来源,这些问题自然同动力电池系统有密不可分的关系,在各大性能、制造成本、安全性上都会受到电池包结构设计的直接影响[3]

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