新能源汽車動力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

虞彬彬

摘 要：新能源汽車的飛速發(fā)展，使得作為新能源汽車的三大部件之一——動力電池系統(tǒng)備受關(guān)注，動力電池系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，不僅與機(jī)械工程、工程力學(xué)相關(guān)，還與電化學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)等有關(guān)，動力電池系統(tǒng)將這些方面的零部件有機(jī)的結(jié)合在一起，為新能源汽車提供動力。

關(guān)鍵詞：新能源；動力電池系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計

汽車是現(xiàn)代人類不可缺少的交通工具之一，隨著石油資源的枯竭與地球環(huán)境的惡化，世界各國都在大力發(fā)展節(jié)能、無污染和噪音低的新能源汽車。近年來，在國家政策的大力扶持下，我國新能源汽車行業(yè)已經(jīng)步入高速發(fā)展階段，技術(shù)和市場成熟度不斷提高、關(guān)鍵零部件配套能力也得到大幅提升，行業(yè)整體發(fā)展繁榮。

動力電池系統(tǒng)作為一個獨(dú)立的零部件安裝在電動汽車上，為整車提供動力。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先需要滿足基本功能和機(jī)械安全；當(dāng)前主流的電動汽車使用的鋰電池作為動力電池，在設(shè)計過程中還需要考慮電氣安全、化學(xué)安全、電磁兼容、防火防爆、防水防塵等等。

動力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計需要滿足以下要求：

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的通用要求。

基于整車坐標(biāo)系進(jìn)行開發(fā)，以利于產(chǎn)品開發(fā)過程中的數(shù)據(jù)校核。

（2）機(jī)械強(qiáng)度和剛度。

安裝和加強(qiáng)部位防止出現(xiàn)疲勞失效，在極限工況條件下，電池系統(tǒng)各部分不得發(fā)生破壞和失效。

（3）機(jī)械振動和沖擊。

測試對象按GB/T 2423.43的要求，在z軸方向沖擊3次，觀察2h，要求電池包或系統(tǒng)無泄漏、外殼破裂、著火或爆炸等現(xiàn)象。試驗后的絕緣電阻值不小于100Ω /V。

（4）碰撞。

將測試對象水平安裝在帶有支架的臺車上，按GB/T31467.3T2015要求進(jìn)行測試.

（5）擠壓。

在X和Y方向分別用半徑75mm的半圓柱體，擠壓力達(dá)到100 kN或擠壓變形量達(dá)到擠壓方向的整體尺寸的30%時停止擠壓，電池包或系統(tǒng)無著火、爆炸等現(xiàn)象。

（6）密封防護(hù)需要滿足IP67要求。

（7）底部抗石擊、球擊和穿刺性能。

（8）防腐、防爆性能。

（9）外部標(biāo)識清晰。

（10）在滿足以上要求時盡量輕量化設(shè)計。

動力電池系統(tǒng)是由很多的零部件組成，包括電芯模組部分、箱體部分、電池管理及線束部分、高壓電氣及電連接部分、加熱及冷卻的熱管理部分等。其中電池管理及線束部分、高壓電氣及電連接部分、加熱及冷卻的熱管理部分由于涉及到電子、電氣及熱力學(xué)等較強(qiáng)的專業(yè)方面的知識，本文不做詳細(xì)的討論。

1 電芯模組結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 電芯的選型

鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命長、電壓使用范圍寬、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，是各大整車廠首選的動力電池類型。目前單體鋰離子電池外形基本有三種圓形、方形和軟包。選型考慮的主要因素有單體電芯廠的技術(shù)能力及產(chǎn)能、單體電芯的安全性、整車電池系統(tǒng)的包絡(luò)空間及成組后的整包的能量密度。

1.2 模組結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于單體電芯的電壓和容量很小，無法滿足要求，模組的作用是按照整車系統(tǒng)的要求將多個單體電芯串、并聯(lián)在一起，從而電壓和容量都能達(dá)到設(shè)計之初的要求，在動力電池系統(tǒng)起到承上啟下的作用。但是受電芯的規(guī)格型號、材料、形狀、安全及化學(xué)性能，箱體的外形包絡(luò)，企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)效率及成本等諸多影響，模組的形狀和大小是多種多樣。

（1）模組結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足這些要求；機(jī)械安全要滿足機(jī)械振動沖擊、擠壓、穿刺、電芯沖、放電時的膨脹、機(jī)械連接可靠；電氣要求滿足電氣絕緣、爬電距離、防觸摸、短路、過沖、過放電等；熱管理要求滿足導(dǎo)熱散熱、熱失穩(wěn)防護(hù)；工藝和成本要求滿足工藝可行性、生產(chǎn)效率高、成本低、重量輕等要求。

（2）圓柱電芯模組結(jié)構(gòu)設(shè)計，在電芯的兩端各有一塊防火塑料板，稱為電芯夾板，電芯夾板上加工有與圓柱電芯相匹配的圓形沉孔，圓形沉孔的直徑一般比電芯的直徑大0.3mm，這樣便于安裝，可提高生產(chǎn)效率；由于圓形電芯形狀的原因，雖然電芯兩端有電芯夾板固定，但它自身還是會轉(zhuǎn)動，因此需要用自動點(diǎn)膠機(jī)在圓孔的內(nèi)部涂膠，將電芯粘接固定；電芯夾板的上下端各有一塊防火塑料板，用螺釘將這四塊板固定為一個整體，其中上面一塊塑料板上加工一些走線槽，通過走線槽將模組中的采壓線和溫感線引到模組兩端；根據(jù)模組的大小和形狀，在電芯間隙中加一些塑料支撐柱，用螺釘固定在電芯夾板上，來加強(qiáng)模組以滿足強(qiáng)度要求。

（3）方形電芯模組結(jié)構(gòu)設(shè)計，方形電芯模組大多使用外圍框架將電芯固定，將多個電芯使用膠水或帶粘性的材料，通過外壓力先固定起來再用膠水或帶粘性的材料固定到外框上；還有一種方式與圓柱電芯模組類似，也是用四塊塑料板通過螺釘固定為一個整體，將電芯夾在中間組成整個模組。

（4）軟包電芯模組結(jié)構(gòu)設(shè)計，軟包電芯在結(jié)構(gòu)上可以看作是方形電芯的簡化，它使用鋁塑膜替代方形電芯的外殼，軟包電芯模組結(jié)構(gòu)設(shè)計與方形電芯模組設(shè)計類似，由于軟包電芯自身的強(qiáng)度和剛度較差，沖放電時易膨脹，兩個電芯間留有一定的距離，將電芯放入外框中再用粘性的材料固定到外框上；也有設(shè)計在軟包電芯外面加一種保護(hù)外殼，成為一個簡化的方形電芯再成組。

2 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計

箱體一般由兩部分組成，箱體上蓋和箱體底座，箱體上蓋和底座通過螺釘連接，結(jié)合面中間加有密封圈達(dá)到防水防塵作用。

（1）箱體上蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)前箱體上蓋的材質(zhì)一般有鈑金、鋁材質(zhì)和復(fù)合材料。鈑金和鋁材質(zhì)的上蓋一般有兩種加工工藝：一種是折彎再拼焊，一種是一體沖壓成型，復(fù)合材料一般使用模壓成型。鈑金和鋁材質(zhì)的上蓋前期樣品時使用較多，加工時可以直接折彎拼焊，不需要模具，前期投入少，外形更改方便但產(chǎn)品加工成本較高，價格較貴；復(fù)合材料上蓋一般批量生產(chǎn)時用的較多，產(chǎn)品單價便宜且重量輕。上蓋設(shè)計時還要考慮強(qiáng)度、防火和防熱沖擊等。

（2）箱體底座結(jié)構(gòu)設(shè)計。箱體底座是電池系統(tǒng)的承重部件，設(shè)計時較上蓋復(fù)雜，當(dāng)前箱體底座的材質(zhì)一般有鈑金和鋁合金，鈑金底座一般有兩種加工工藝：一種是折彎再拼焊，一種是一體沖壓成型加點(diǎn)焊；鋁合金底座一般使用低壓砂型鑄造。箱體底座結(jié)構(gòu)設(shè)計需要關(guān)注的有機(jī)械強(qiáng)度、防腐蝕、防石擊、密封防水、輕量化、定位和固定點(diǎn)及內(nèi)部滿足擠壓振動及固定模組等的橫、縱梁設(shè)計。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)不同的箱體包絡(luò)及電芯型號設(shè)計符合要求的模組和箱體底座。

（2）動力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計需要滿足以下要求機(jī)械強(qiáng)度和剛度、電氣安全等各方面的要求。