面向电动冷藏车的仿真驱动型电池包（Cell-to-Pack）设计

《Proceedings of the Design Society》：Simulation-driven design of a cell-to-pack battery pack for electrified refrigerated vehicles

　　

本研究展示了一种用于混合动力电动冷藏运输车辆的下一代电池包（Cell-to-Pack, CTP）系统的设计和基于仿真的验证。该配置在一个紧凑的模块化结构中集成了焊接不锈钢框架、液冷系统和功率电子模块，从而提高了装配效率和适应性。通过有限元分析和热分析，确认了该设计满足振动和热性能要求，实现了改进的容积效率和可扩展性。研究结果为样机制作和未来优化提供了经过验证的基础。

**面向电动冷藏车的仿真驱动型电池包设计：论文解读**

**一、 研究背景与问题**

全球交通领域正朝着可持续方向转型，电动汽车已成为实现脱碳战略的关键要素，其中商用车电气化对于达成气候目标至关重要。在冷藏运输领域，运输制冷单元（Transport Refrigeration Units, TRUs）的电气化使得在装卸货和待机状态下能够实现零排放运行，从而减少柴油消耗和噪音。电池包作为电动和混合动力电动车辆的核心储能子系统，必须在有限的封装空间内满足电气、机械、热管理和生产制造等多方面的要求。电池包层面的架构决策直接影响容积效率、结构载荷路径、可维护性、法规符合性以及总拥有成本。

电池架构通常分为模组到包（Module-to-Pack）、电芯到包（Cell-to-Pack, CTP）或混合架构。模组到包系统将封闭的模组集成在总壳体内，便于维护但增加了非活性质量。CTP方法则将电芯直接集成到承重结构中，提高了封装效率，但也增加了集成复杂度。概念选择取决于成本、生产批量、维护策略和质量约束。

冷藏运输的电气化已成为减少城市物流噪音和排放的关键推动因素。AddVolt公司率先开发了世界上首个用于冷藏卡车的插电式混合动力系统，使得制冷单元在装卸货和待机期间能够完全电动运行。虽然第一代解决方案成功展示了环境和声学效益，但市场反馈揭示了其在成本效益、可扩展性和模块化方面存在改进空间。

先前一代的AddVolt动力包（作为基准解决方案）采用了传统的模组到包架构，电化学电芯被封闭在刚性的结构模组内，然后集成到电池包壳体中。这种配置施加了相对较低的配置分辨率，因为能量和功率额定值受限于固定的模组定义。这限制了对不同车辆需求的适应性，并降低了为多种应用定制容量的灵活性。此外，功率电子子系统集成在同一壳体内，造成了电气和结构域之间的架构相互依赖，限制了子系统的独立升级，并使未来的平台演进复杂化。

**二、 研究目标与方法**

为了应对这些局限性，本研究采用了CTP架构。在该架构中，电化学电芯根据满足所需电压和功率分辨率的规格进行分组，而无需使用独立的结构模组壳体。这些电芯组作为电气预配置组件提供，具有最少的保护外壳，并直接固定到电池包的承重结构上。因此，全局结构载荷由主框架承担，而非由中间的模组壳体承担。此外，采用了模块化系统架构，将功率电子子系统与电池包解耦，并实现为独立模块。此次重新设计与一个更广泛的目标相一致，即创建一个具有成本竞争力、可扩展的产品平台，能够支持多种车辆配置和未来组件升级。

电池包重新设计的主要目标包括：通过简化装配和减少零件数量来提高成本竞争力；采用方形电芯CTP配置以提高能量和功率密度；增强模块化和可扩展性，以适应大批量自动化制造；以及分离功能域（电池和电子子系统），以简化维护并支持独立的设计迭代。

新电池包的开发遵循由AddVolt定义的操作、安全和耐久性要求，以确保性能并符合汽车标准。电气方面，系统必须在300-550 V电压范围内运行，确保故障条件下不会引发火灾、电弧或外部表面温度超过200°C。热性能同样关键：电芯温度必须保持在适当的运行限值内，以确保安全性和使用寿命，在充电和放电过程中，在-30°C至60°C温度范围内均需可靠运行。这些条件对冷却板设计和整体热均匀性提出了严格要求。结构方面，所有组件必须在ISO 9227/ASTM B-117条件下抵抗1000小时的腐蚀，并在商用车辆典型的振动和冲击下保持完整性，同时保持装配和维护的可达性。模块化也被定义为一个关键的设计要求，以实现系统配置的灵活性、维护的便捷性以及未来产品变型的可扩展性。新概念旨在提高可制造性和系统集成度，同时保持上一代产品的功能能力。设计目标包括最大放电功率20 kW，平均放电功率15 kW，以及30-40 kWh的能量容量范围（性能评估采用了40 kWh）。这些规范定义了指导新架构机械和热开发的设计空间和边界条件。

研究人员采用了一种基于仿真的迭代框架进行重新设计，该框架以面向制造和装配的设计（Design for Manufacturability and Assembly, DfMA）原则为基础，旨在实现结构刚度、模块化适应性和制造可行性。过程始于概念定义阶段，将系统级要求（机械包络、电压和功率范围、热限值、安全约束）转化为集成了结构框架、固定接口和外壳几何形状的基准几何模型。结构验证使用有限元分析进行，该分析在整个设计周期中作为主要的反馈机制。每次迭代都包括静态、模态、谐响应和瞬态分析，以识别需要加强或重新设计的关键应力和位移区域。进行热仿真以评估电芯组内的温度分布以及液冷板在代表性操作条件下的有效性。结构和热结果指导了几何调整，如材料重新分布、固定方式优化和冷却通道优化。这个包含计算机辅助设计（CAD）建模、数值分析和设计优化的迭代循环，引导设计收敛至满足机械、热管理和制造要求，同时支持未来可扩展性的配置。数值分析在此早期开发阶段被用作设计支持工具，使得在样机制造之前能够做出明智的架构和结构决策。它们并非旨在取代实验验证，实验验证将在后续阶段通过在代表性操作和法规条件下的物理测试进行。

电池包架构采用了一种笼式结构概念，由焊接管状构件和钣金加强件组成，旨在实现高刚度重量比，并承受车辆应用典型的振动载荷。外壳面板被设计为次要结构元件，为内部组件提供保护，同时确保维护和检查的可达性。主要承重框架和外壳面板采用304L不锈钢制造，因其机械强度、可焊性和耐腐蚀性而被选中。冷却板采用Al 6061-T6制造以确保足够的热导率，而铜排则提供高效的电气互连。采用电绝缘的聚甲醛（POM）垫片来保持电芯定位和介电隔离。材料选择优先考虑结构鲁棒性、热兼容性以及与常规制造工艺的兼容性。热管理通过置于分组电芯之间并集成到结构组件中的铝制冷却板实现。此配置定义了在后续数值分析中考虑的热界面。

**三、 研究结果**

**4.1 架构与设计特征**
开发的电池包架构在一个焊接不锈钢笼式结构内采用了结构集成的CTP概念，该结构容纳了十二个方形电芯、液冷组件以及两个侧向子系统：功率电子模块和制冷机组。该笼式结构作为主要承重结构，由焊接管状构件组成，并通过横向和侧向梁加强以确保扭转刚度和均匀的载荷分布，同时专用的安装板提供了相对于车辆车身的结构独立性。在此框架内，电芯以四组每组三个的方式排列，每组在机械和热学上与专用的液冷板耦合。冷却回路布置在电芯层下方，而铜排网络则位于其上方，保持了热域和高电流电气域之间的物理分离。功率电子模块侧向安装到笼式结构上，并热集成到冷却回路中，而制冷机组则支撑在另一侧。外部，通过螺纹嵌件和螺栓连接的304L不锈钢面板提供了环境保护，并有助于整体刚度，硅胶密封垫确保减振和密封。除了结构和热验证外，可制造性和装配考虑也被嵌入到架构定义中。所有结构组件均设计为使用常规工业流程生产，包括焊接型钢、激光切割和折弯的钣金面板以及机加工的POM垫片，避免了专用或专利制造技术。装配依赖于标准紧固件和常规工具。电池包架构围绕四个重复的子组件进行组织，每个子组件由三个电气分组的电芯组成，在集成到主框架之前，它们与一个专用的冷却板机械耦合。这种重复的模块化结构简化了装配顺序并支持可扩展的生产。维护可达性通过允许移除单个的三电芯组冷却子组件而无需完全拆解电池包来实现。功能模块化通过功率电子和制冷机组的机械独立侧向安装得以确保，允许子系统升级而无需对电池框架进行结构重新设计。完整的重新设计，包括所有辅助模块，尺寸为1592 × 646 × 534 mm，总质量为697 kg，包含电池电芯、结构框架、制冷机和功率电子单元。

**4.2 结构仿真**
结构仿真是在电池包组件的初步版本上进行的，该版本尚未实施4.1节中提到的最終加强和固定支撑。数值分析识别了应力集中和局部变形的区域，这些信息指导了后续集成到最终配置中的设计优化。计算了从0到300 Hz的总共81个模态振型。从有效质量比输出看，第26、50和13阶模态分别在x（垂直）、y（横向）和z（纵向）方向上最相关。低阶模态是钣金外壳刚度较低的结果。上限频率300 Hz被定义为涵盖UN 38.3振动标准所要求的操作和测试频率范围内的所有显著共振。因此，使用模态叠加法来耦合模态分析和线性谐响应分析，并且为了计算效率，仅保存模态有效质量高于0.30的模态。频响结果证实了在识别出的模态频率处存在共振应力放大，这体现在低于标准规定的200 Hz最大频率的伯德图中的峰值位移上。对于X方向，550 MPa的冯·米塞斯应力集中在手动服务断开开口边缘。网格收敛性研究（单元尺寸从10 mm到3 mm）显示了应力的指数增长，证实了应力奇异性的存在。最大位移发生在顶部钣金处，为3.5 mm。对于Y方向，峰值响应发生在204 Hz。最大位移发生在制冷机侧钣金处，为0.5 mm，而应力集中（≈550 MPa）位于顶部U型型材的避让槽处。对于Z方向，受力最大的组件类似，最大位移为3.0 mm，应力值在500至940 MPa之间，集中在电池连接孔周围。瞬态响应分析与模态分析结果相关联。对于Y方向，在制冷机侧侧面板处计算出的最大方向变形为0.13 mm，未损害装配完整性。在顶部U型型材弯曲避让槽处计算出的最大等效应力为110 MPa。对于Z方向，在前部钣金处计算出的最大方向变形为0.41 mm，最大等效应力为330 MPa发生在顶部U型型材，集中在电池连接孔周围。谐响应和瞬态分析均表明，对顶部U型型材和外钣金面板进行刚度加强将减少变形和应力集中，确保符合国际振动和冲击标准。具体而言，对顶部U型型材的弯曲避让槽设计进行优化，并为外板增加固定点。此外，在顶部U型型材和外板之间，如网格参数化研究所证明，存在应力奇异性的证据，并且一些部件被定义为具有刚性刚度行为，未考虑其在装配层面会增加的阻尼和接触刚度，这从设计角度最小化了风险。可以执行进一步的线性分析来评估塑性行为，尽管目前的线性分析作为实验测试和生产验证之前的设计迭代的一部分，对于设计优化和实验验证是足够的。

**4.3 热仿真**
热仿真结果表明，在定义的边界参数下，系统保持稳定和安全的工作条件。模型内记录的最高温度约为60°C，与施加的环境温度相对应。冷却水温度几乎恒定在20°C，在整个仿真过程中显示出最小的温升，证实了热交换系统的有效性。因此，电池电芯温度远低于电芯制造商规定的临界限值（≈80°C），表明热管理配置成功控制了热量累积。总体而言，结果证实所提出的外壳和冷却系统设计有效地缓解了电池包内的温升，将所有组件保持在其推荐的操作热范围内。

**4.4 设计评估与性能指标**
从结构角度看，焊接不锈钢笼式结构满足了UN 38.3和UN ECE R100 Rev. 3定义的振动和机械冲击要求。封闭框架配置确保了在动态激励下均匀的载荷分布和较低的全局变形，而螺栓连接接口允许部分拆卸，且不损害主框架的完整性。热仿真证实，四个液冷板（每个与一个三电芯组耦合）在电池包内保持了均匀的温度分布。在代表性操作条件下，所有电芯均保持在制造商最高温度限值以下，表明冷却能力充足。在功能上，该架构通过功率电子和制冷机组的侧向安装支持子系统模块化，实现了独立开发和更换。可重复的三电芯组子组件还提供了安装容量的可扩展性，允许在同一结构平台内适应不同的能量和功率需求。为了与AddVolt先前的解决方案（未集成主动液冷）进行比较，制冷机及其支撑结构被排除在密度计算之外。所得的有效质量（646 kg）和体积（0.415 m³）用于计算表中的指标。开发的设计在重量功率密度和能量密度方面显示出适度的降低，这是由于结构质量增加，但在体积能量密度方面实现了显著改善。这表明重新设计的架构提供了更优的封装效率，有利于安装体积比总重量更关键的应用。

**四、 结论与讨论**

本研究展示了为AddVolt混合动力电动运输平台设计和基于仿真开发的CTP电池系统。重新设计的架构解决了先前动力包的关键局限性，特别是配置刚性、子系统耦合和有限的可扩展性。该解决方案将电池电芯、液冷系统和功率电子接口集成在一个焊接不锈钢承重笼式结构内，形成了一个紧凑且模块化的组件。采用了一种结合有限元和热分析的迭代仿真驱动方法，在样机制造之前优化结构和热配置。结构仿真识别了需要加强和增加固定的区域，而热分析则证实了在代表性边界条件下电芯温度保持在操作限值内。结果表明了重量性能和体积性能之间的权衡：尽管结构加强和集成冷却增加了质量，但重新设计的布局提高了容积效率和封装灵活性。数值分析在早期开发阶段作为设计支持工具，并不取代实验验证。物理样机将进行台架测试，包括充放电循环和适用法规工况下的结构振动测试。实验结果将能够与数值预测相关联，并支持进一步的模型优化。