高压电池壳体目前是OEM和供应商的开发重点，通常由铝制成。然而，钢材在提升安全性和降低成本方面具有较好的前景。因此，本文研究设计了一种集成式钢基高压电池外壳体。

电池壳体的高性能要求

高压电池目前在电动车中较受欢迎，目前，除了电池系统的隔离技术之外，电池系统机械性能和热性能的改善也较为重要。其中，电池壳体的开发是关键。

近年来，电池包壳体的设计发生了较多变化。虽然当前的电动车设计仍然是在现有燃油车基础上进行改造为主，但电动车全新架构的设计与开发越来越受欢迎。这也使得电池包壳体向着多单元、简单化结构方向发展，这无疑更利于钢材的应用。

此外，电池的的充电功率高达350kW甚至更高，这将导致电池系统的热量也非常大。因此，电池系统的散热和温度的均匀分布显得尤为重要。同时，电池壳体对机械性能的要求也较高，如（动态）碰撞、（准静态）压力、机械冲击、防渗透和防火性能等。

钢制电池包的模块化设计

针对电池系统的设计，不同OEM都有不同的要求。无论是从电池的选择和模块设计到电池外壳的设计、冷却系统的设计等，都追求差异化的发展。目前，电池供应商提供了带有和不带集成冷却系统的电池外壳的两种概念。需要进一步考虑不同OEM的具体要求，进行定制化设计方案。基于此，voestalpine和fka的联合项目开发了一种名为Flextric的模块化技术方案，用于钢制高压电池外壳。

在模块化设计时，第一步要考虑电池壳体的性能要求，要复合相关标准，如ECE R100，GB/T 31467.3。热管理方面，要考虑基于水甘醇的冷却剂的冷却系统设计。第二步，制定满足这些性能要求的技术解决方案。如通过快速建立CAx模型，进行仿真模拟。

冷却系统的集成式设计

针对冷却系统的集成设计，对不同电池壳体结构进行模拟仿真，评估其可制造性，寻找功能集成的解决方案。针对悬挂系统布置的电池包，设计了第一种顶盖集成冷却系统的电池壳体结构。如图1（上）所示，电池包壳体上盖由两块壁厚较小的钢板制成，板材背部集成冷却通道，并焊接到平盖板上。这种结构相对简单，密封性好，盖子上的冷却结构将影响表面的惯性矩，可通过微调达到加强壳体的效果。

另一种优化集成设计是电池包壳体采用钢/铝混合框架结构，底板由四层铝夹层结构制成，其可在发生碰撞时吸收机械力。冷却通道设计在两个铝板之间并通过钎焊连接，其余部分采用泡沫铝材料补充，具体结构如图1（中）所示。该方案与顶盖集成冷却系统的结构类似，也实现了冷却系统组件的完全集成。这种设计需要注意的是冷却流体的分配和引导，要确保各模块的表面热量均匀下溢。

第三种优化方案是将冷却板插入纵梁和横梁之间的自由空间中，并且每个冷却板直接与一个或多个模块接触，如图1（下）所示，各个冷却板通过软管系统实现并联液压连接。

上述三种冷却系统的集成设计方案都具有各自的优点和技术挑战，具体如表1所示。

下图2为采用第三种方案的设计过程，其重点在于分配系统和和半模块化冷却板的设计。分配系统由软管组成，布置在纵梁中，具有中心流动和返回通道，同时并联六个冷却板。为了确保系统的液压平衡，实现冷却剂的均匀分配，可在管路中集成节流元件。并通过优化计算，根据总体流量设计合适的节流横截面。

研究人员针对各种集成结构进行了性能模拟，其中，钢板材料以点状或线状形式焊接在一起，铝材通过结构形状设计辊压粘合。设计时，顶盖和底板的厚度、所得到的通道的宽度和深度、以及流道结构的均匀性设计都将是需要重点考虑的。因此，建立仿真模型对上述参数进行模拟测试。测试时，采用三个模块，每个模块由十二个棱柱形电池组组成，对其充电过程的热力学状态进行测试。图3为钢制壳体和铝制壳体的热学测试结果，如图可知，与铝相比，钢的低导热率对冷却系统的影响较小。而影响温度分布的重要因素为电池模块内的导热路径的设计，这可通过使用具有各向异性导热性能的石墨基导热箔来实现。

机械性能验证

除了散热，电池包冷却系统还必须满足一定的机械性能要求。首先，冷却剂的流动需要一定的压力，如果操作压力高于环境压力（1bar）0.5bar，冷却板应尽可能少地变形或均匀变形，以实现各模块和板之间的有效接触。同时，要避免应力载荷在材料上引起塑性变形，以确保材料的疲劳强度。这里需要协同考虑材料质量、厚度、几何形状（如通道宽度和半径）、材料连接（如接头数量和长度）。图4显示为模拟结果。

被动安全方面，图5显示了根据GB/T 31467.3标准的测试结果。结果显示，冷却系统的集成方式对电池包壳体机械性能影响较大，整个壳体的机械完整性直接受冷却系统的机械性能的影响。

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