温度约束下动力电池组支架的拓扑优化设计

动力电池作为电动汽车的能量源,其性能包括放电容量、循环寿命、一致性等均受电池工作温度影响。一方面,低温环境会降低放电容量,较高的温度将永久性破坏电池内部结构,同时增加热失控的风险;另一方面,动力电池组遵循“木桶短板效应”,较差的温度均匀性导致单体之间性能的不一致,进而恶化电池组的整体性能。对于车载动力电池组来说,结构安全性是另外一个重要的议题。电池包结构必须具有一定强度,在碰撞、挤压等滥用工况时阻止电池组短路、漏液,甚至起火爆炸的发生。目前,较出色的动力电池组热管理系统能够将电池组的工作温度控制在适宜范围内且电池温度差异不超过±2°C,但其热管理系统结构复杂,同时绝大多数动力电池组结构强度较弱。因此动力电池组的温度控制与结构强度是亟待解决的问题。本文从圆柱形动力电池模组用支架设计出发,基于变密度法开发了瞬态工况下温度约束热力耦合的拓扑优化方法,为动力电池模组用支架的结构的设计提供了新的思路,在提高电动汽车整车性能方面具有重要意义。论文的主要研究工作如下:(1)为了解决传统动力电池组散热系统散热均匀性差、结构复杂、成本与能耗增加和电池包结构力学性能较差等问题,本文独立开发了具有温度约束的热力耦合拓扑优化设计新方法,该算法目前国际上尚未查询到公开发表的类似研究。(2)根据变密度法,利用RAMP材料插值模型建立了温度约束的稳态热力耦合拓扑优化方法,推导了温度约束方程敏度与目标函数敏度并求解了若干个经典算例;在稳态的基础上,进一步的开发了瞬态工况下温度约束热力耦合拓扑优化设计方法,推导了全局结构柔顺度和局部温度约束方程,并实施敏度分析;使用此瞬态方法,优化设计了二维模组支架结构并进行了重构建模与热力学仿真分析。(3)相对于无温度约束的拓扑优化方法,使用开发的温度约束拓扑优化方法能够有效降低约束区域处的温度;较小的温度约束值的变化将对最优拓扑结构产生显著影响,并且随着施加的温度约束值得降低,约束区域附近的材料分布增加且拓扑复杂。(4)在通常工况下,优化设计的铝合金模组支架结构能够将电池组工作温度控制在31℃-33℃之间,同时具有出色的强度。