解析純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池包輕量化

謝世濱

解析純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池包輕量化

謝世濱

（上海吉茨寧機(jī)電設(shè)備有限公司，上海 201702）

鋰離子動(dòng)力電池包系統(tǒng)在純電動(dòng)汽車中的應(yīng)用最為廣泛，動(dòng)力電池包是利用1個(gè)封閉盒形結(jié)構(gòu)將BMS、熱管理系統(tǒng)、模組架以及動(dòng)力電芯等組件組合在一起。純電動(dòng)汽車的重量很大程度上取決于動(dòng)力電池包的重量。因此，電池包的輕量化對(duì)于純電動(dòng)汽車的輕量化有著十分重要的作用。因此，文章對(duì)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池包輕量化的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

電池包；輕量化；純電動(dòng)汽車

前言

純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車相比，在車載電器、內(nèi)飾、底盤、車身等方面無(wú)太大區(qū)別，其主要的技術(shù)突破點(diǎn)在于智能化電子技術(shù)的應(yīng)用、動(dòng)力系統(tǒng)和動(dòng)力電池的布置以及底盤與車身的輕量化設(shè)計(jì)等方面。而無(wú)論對(duì)于傳統(tǒng)汽車還是純動(dòng)力汽車來(lái)說(shuō)，減輕車體重量一直都是科研單位十分重要的研究課題。

1 純電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)汽車通常以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力源。在電機(jī)控制器的作用下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠精確地輸出電流，并且電機(jī)的扭矩范圍也相對(duì)較扭矩范圍也相對(duì)較寬。當(dāng)前我國(guó)純電動(dòng)汽車普遍采用差速器加單級(jí)減速器即可達(dá)到輸出動(dòng)力要求。對(duì)于純電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，車載動(dòng)力電池包是最主要的能量來(lái)源。

2 車載動(dòng)力電池包輕里化技術(shù)

純電動(dòng)汽車車載動(dòng)力電池通常包括燃料電池、鋰離子電池、鎳氫電池與鉛酸電池等。在我國(guó)終端市場(chǎng)需求、動(dòng)力電池領(lǐng)域發(fā)展水平以及新能源汽車法規(guī)等多種因素的共同影響下，鋰離子動(dòng)力電池成為了我國(guó)純電動(dòng)汽車的主要能源。商用大客車多一般采用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，高速小型乘用車一般采用三元錳鋰電池。本文針對(duì)三元錳鋰電池，對(duì)輕量化設(shè)計(jì)的主要思路進(jìn)行了詳細(xì)的討論。

2.1 模組架輕量化

動(dòng)力電池模組架指本質(zhì)上是一種支架系統(tǒng)，負(fù)責(zé)安裝單體動(dòng)力電池。當(dāng)前我國(guó)市場(chǎng)上所流通的鋰電池系統(tǒng)普遍以模組架結(jié)構(gòu)為主，即在1個(gè)模組架內(nèi)安裝12只或6只電芯，每6只電芯配1個(gè)采樣板，并配以保險(xiǎn)原件、接插件和BMS。模組架以往所使用的結(jié)構(gòu)主要為鈑金沖壓結(jié)構(gòu)和鈑金焊接結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段普遍采用注塑框架結(jié)構(gòu)，大幅減輕了模組架的重量，同時(shí)也提高了安裝的標(biāo)準(zhǔn)化水平。

2.2 熱管理系統(tǒng)輕量化

熱管理系統(tǒng)通常包括冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)兩大類。其中冷卻系統(tǒng)通常包括直接傳導(dǎo)系統(tǒng)、空氣冷卻系統(tǒng)以及液體冷卻系統(tǒng)三大類。由于鋰離子電池在車輛慢行或低速充電的狀態(tài)下，升溫幅度普遍不超過(guò)10℃，出于空間布局和制造成本等方面的考慮，通常不設(shè)置降溫系統(tǒng)。在汽車快速充電或高速運(yùn)行的狀態(tài)下，動(dòng)力電池可能達(dá)到20℃左右，通過(guò)導(dǎo)體散熱就能夠有效控制住溫度。因此，小型乘用車很少設(shè)置冷卻系統(tǒng)。

在純電動(dòng)汽車?yán)鋯?dòng)或環(huán)境氣溫較低的狀態(tài)下，需要通過(guò)加熱系統(tǒng)為電池保溫。鋰電池并不具備良好的低溫充放電性能，若環(huán)境溫度低于-5℃，將會(huì)大幅縮減鋰電池的有效容量。另外，鋰電池的放電性能也一定程度上會(huì)受到低溫環(huán)境的影響，大幅縮減車輛的運(yùn)行里程。在氣溫較低的北方地區(qū)，通常需要為動(dòng)力電池包配備保溫系統(tǒng)或預(yù)加熱系統(tǒng)。

基本的預(yù)加熱形式一般包括自身電源預(yù)先加熱、外來(lái)電源預(yù)先加熱、整車存放于溫暖房間充電以及動(dòng)力電池組電熱膜包覆四種?？晒┻x擇的保溫系統(tǒng)形式有電池包外包覆保溫層和電池模組保溫層兩種。由于保溫系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)會(huì)占據(jù)電池包空間，一定程度上降低了電池包能量密度；整車溫暖環(huán)境和外來(lái)加熱一定程度上影響了整車使用的便利性；自身電源加熱會(huì)縮短續(xù)航里程，大量耗費(fèi)電能。這也是當(dāng)前我國(guó)北方地區(qū)大力推廣純電動(dòng)車的主要障礙之一。

熱管理系統(tǒng)的輕量化，要求設(shè)計(jì)者在成本允許的情況下降低系統(tǒng)質(zhì)量。根據(jù)汽車使用區(qū)域的環(huán)境溫度確定是否設(shè)置加熱系統(tǒng)，通過(guò)金屬導(dǎo)體熱船的方式達(dá)到冷卻降溫的效果。鋁合金和鋼板材料均具有良好的導(dǎo)熱性，而鋁材質(zhì)價(jià)格較低并且質(zhì)量更輕，可用來(lái)制作電池包的下盒體，比如型材鋁焊接結(jié)構(gòu)和鑄鋁結(jié)構(gòu)，冷卻效果均十分理想。

2.3 電池包殼體輕量化

2.3.1 電池包殼體一般要求

純電動(dòng)汽車所使用的電池包上殼體應(yīng)當(dāng)滿足以下幾方面的要求：在動(dòng)力電池自燃或車輛發(fā)生碰撞的情況下，需防止氣體、火、煙、液體進(jìn)入駕駛艙內(nèi)；為插接器、傳感器、線束和熔絲預(yù)留足夠的空間；人員觸電防護(hù)應(yīng)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；防護(hù)等級(jí)應(yīng)在IP67以上。

2.3.2 動(dòng)力電池包殼體選材

傳統(tǒng)純電動(dòng)車通常采用由鈑金沖壓或鋼板焊接而成的電池包殼體，并進(jìn)行涂裝處理，再噴涂防石擊膠。鋼板材質(zhì)的電池包殼體具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高以及防護(hù)性能好等方面的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是重量較大。

相比于鋼板材料來(lái)說(shuō)，鋁合金材料具有耐腐蝕性能好、散熱性強(qiáng)、質(zhì)量輕等方面的優(yōu)點(diǎn)。電池包下殼體結(jié)構(gòu)常見(jiàn)有型材焊接結(jié)構(gòu)和鑄鋁結(jié)構(gòu)2種。其中，型材焊接結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、型材適應(yīng)性好、質(zhì)量輕等方面的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是焊接變形大、焊接強(qiáng)度有減弱趨勢(shì)、型材焊接性差；鑄鋁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)并不突出，并且存在質(zhì)量減輕不明顯、機(jī)加工量大、壁厚大等方面的劣勢(shì)。但隨著焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，超聲波焊接、摩擦焊接技術(shù)的不斷成熟，鋁型材焊接問(wèn)題已經(jīng)得到了有效的解決，并且正在逐步應(yīng)用于電池包的制造領(lǐng)域。

近年來(lái)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、SMC模壓、塑料注塑以及玻璃纖維增強(qiáng)材料開(kāi)始應(yīng)用于動(dòng)力電池包制造領(lǐng)域。其中最被看好的是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)材料，這兩種材料具有耐腐蝕性好、機(jī)械強(qiáng)度高以及質(zhì)量輕等方面的優(yōu)點(diǎn)。非金屬?gòu)?fù)合材料相比于鋁合金材料來(lái)說(shuō)，在強(qiáng)度和體積相同的情況下，能夠減輕重量達(dá)30%~50%。然而，這種兩材料也存在高速尖銳沖擊易破壞、熱傳導(dǎo)性能較差等缺陷，一般用來(lái)制造電池包上蓋。

2.4 殼體的形貌優(yōu)化

在對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以采用形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化等方式實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中形狀優(yōu)化與尺寸優(yōu)化需要改變結(jié)構(gòu)件的形狀和增加結(jié)構(gòu)包的厚度。然而，在結(jié)構(gòu)件厚度增加的情況下，電池包整體重量也會(huì)隨之增加，進(jìn)而對(duì)整車的續(xù)航能力與動(dòng)力性能造成負(fù)面影響。對(duì)結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行調(diào)整有可能會(huì)干涉到與尺寸位置相對(duì)固定的其它零部件，進(jìn)而造成其他方面的問(wèn)題。出于針對(duì)以上幾項(xiàng)問(wèn)題的考慮，建議采用形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在不對(duì)尺寸的表面起筋方式和結(jié)構(gòu)件整體形狀進(jìn)行調(diào)整的基礎(chǔ)上，對(duì)電池包整體結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件的過(guò)程中，需要重點(diǎn)對(duì)電池包的上殼體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。上殼體與其他結(jié)構(gòu)件之間的連接相對(duì)簡(jiǎn)單，可設(shè)計(jì)區(qū)域廣，有利于加強(qiáng)筋的形成。

3 結(jié)束語(yǔ)

純電動(dòng)汽車所使用的動(dòng)力電池包，應(yīng)當(dāng)在保證功能、性能要求、碰撞安全以及電氣安全的前提下，通過(guò)輕量化改造、輕量化設(shè)計(jì)和材料選擇等手段，降低電池包重量?？晒┻x擇的實(shí)施途徑具體包括以下四種，即通過(guò)玻璃纖維、碳纖維等材料制作電池包上蓋、采用鋁型材焊接動(dòng)力電池包下殼體、簡(jiǎn)化熱管理系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化注塑模組架。

[1] 張笑林,孫巖洲,袁永軍.基于新型絕緣阻值計(jì)算方法的純電動(dòng)汽車電池包內(nèi)部高壓漏電精準(zhǔn)定位系統(tǒng)[J].軟件導(dǎo)刊,2018,1706: 136-141.

[2] 金英潔,李波,馮琳桓,楊鵬程.某純電動(dòng)汽車電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱特性分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2018,20:48-49+52.

[3] 仇士玉,王娟.基于單片機(jī)的純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2018,19:16-17.

[4] 蔡飛龍,許思傳,常國(guó)峰.純電動(dòng)汽車用鋰離子電池?zé)峁芾砭C述[J].電源技術(shù),2012,3609:1410-1413.

[5] 黃石.基于與傳統(tǒng)汽車比較的純電動(dòng)汽車總裝工藝分析[J].南方農(nóng)機(jī),2017,4820:73.

Analysis of Light weight of Power Battery package for Pure Electric vehicle

Xie Shibin

( Shanghai Gitzning Mechanical and Electrical equipment Co., Ltd., Shanghai 201702 )

Lithium ion power battery pack system is the most widely used in pure electric vehicles. Power battery pack combines BMS, thermal management system, module frame and power core with a closed box structure. The weight of a pure electric vehicle depends largely on the weight of the power battery pack. Therefore, the lightweight of battery packs plays an important role in the lightweight of pure electric vehicles. Therefore, this paper introduces in detail the realization method of lightweight power battery pack for pure electric vehicle.

battery pack; lightweight; pure electric vehicle

U469.7

A

1671-7988(2019)13-17-03

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謝世濱 (1975.7-)，男，大學(xué)本科，中級(jí)工程師，就職于上海吉茨寧機(jī)電設(shè)備有限公司。研究方向：汽車工程專業(yè)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.006