純電動汽車電池包關鍵技術及優化方法

何斌成 許鈾 李梓立 李杰浩

摘 要：電池包是電動汽車動力的基礎，也是電動汽車安全的主要因素。該文通過對動力電池包結構設計、電池管理以及熱管理3方面進行了分析，提出了結構化電池包的優化方法，并給出一套基于32650圓柱形的結構化電池包模型，通過靜力學仿真以及受力變形實驗驗證了該優化方法的有效性。

關鍵詞：電池包 結構化 優化設計

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（a）-0038-03

Abstract：Battery Pack is the basic of the electric vehicles power and the key of electric vehicles safety. The structure design， battery management and thermal management were analyzed in this paper. An optimization method was purposed by the structured way. An a battery pack model based 32650 cylindrical battery was proposed. The static simulation and force deformation were used in to the test and the results shown that the battery pack proposed was effective and can be used in practical applications.

Key Words：Battery pack； Structured method； Optimal design

電動汽車產業迅猛發展，已成為不可逆的趨勢[1-3]。其中，電池是電動汽車動力的基礎。電池包是電池的載體，負責電池的安全管理、連接與排列、整體固定等功能；電池包結構設計的好壞，不僅影響著整車的安全使用以及維護，同時也影響著電池包生產、拆卸及安裝。縱觀目前國內外電動汽車電池包系統，主要可以分為兩大類：（1）電池箱類型[4]，該類型主要是根據整車結構，設計一套與整車結構相應的箱體，并將電池放置于該箱體內，使得電池能固定于電池箱內，同時實現電池性能的監控及管理等功能。（2）整車結構兼容類型[5]，該類型考慮電池不占用整車空間，直接將整車某些結構部分直接作為電池方式的方向。

為適應電池包系統的規模化生產，方便設計以及使用維護，該項目針對廣大電池包特點，提出結構化電池包的思路，并以此思路在系統層面上對電池包進行優化設計，以32650電池為原型給出基于管柱型電池包的模型，并通過靜態和受力分析驗證所提模型的有效性。

1 電池包設計基本思路

1.1 電池包系統基本特點

電池包系統是根據整車動力特點，選取特定電池，并根據其外形尺寸，采用一定的方式，通過排列組合形式將電池進行組合；除此，還配備有電池電壓、溫度、電流的檢測以及電池安全控制的接口[6]。

考慮規模化設計及生產，使電動汽車能更加安全、高效、方便地設計和使用，電池包應當具備以下特點。

（1）具備高性能的故障診斷和保護能力，在電池出現問題的時候能及時進行保護及報警。意在當電池包發生故障時，其內部及外部能自動切斷主電源連接，保證故障電池與其他電池實現物理隔離；同時，能實現電池數據的實時采集，方便維護人員對電池性能進行監測和評估。

（2）結構安全性高，在特殊情況下（如撞擊、跌落、切割等），電池包在外部受損的情況下，內部結構也必須具備一定的防護和強度性能，以求內部電池受外界損傷的影響降到最小。

（3）電池安裝及更換快捷，在生產及后續維護過程中[7-8]，易于組裝和拆卸，方便維護人員工作。

（4）模塊化程度高，空間結構兼容性強；能根據不同的使用空間，快速地進行電池包設計，方便設計人員針對不同車型能快速地實現電池包設計。

（5）電池包總質量輕量化，對提高整車續駛里程有一定的積極意義。

1.2 電池包系統基本設計要求

根據上述特點，要求電池包系統在設計時必須滿足以下幾點。

（1）系統安全性高。電池包的結構強度要強，能滿足在特殊情況下，電池包具有一定的抗沖擊力及結構強度，保證在強烈沖擊下，單體電池具備一定的抗沖擊能力，同時電池包結構的變形小，單體電池破壞少。

（2）能做到單體隔離。當某一單體電池受損時，能自動切斷該單體電池與其他電池之間的連接，這樣可以防止由于該電池本身的問題而蔓延到其他電池。

（3）能具備一定溫度管理及控制的能力。眾所周知，目前現有電池的理想使用溫度為10 ℃～45 ℃之間，這要求電池包系統中恰當地添加散熱和加熱裝置保護電池，確保電池有最佳的充放電狀態。

（4）具備靈活的串并聯組合方式；電動汽車用電池必須通過單純串聯、或者先并聯后串聯、或者先串聯或者并聯的方式進行組合。這涉及到單體電池之間的連接問題，如何安全、快速、穩定地實現單體電池連接，是目前眾多電池包生產商一直在思考的問題。

（5）針對不同車型，能適應不同的應用空間，易設計及組裝。目前電池包的設計，多是跟隨車輛空間以及結構限制，使得電池包設計呈現分散化、結構特殊性強等特點，這些特點將不利于電池包的進一步發展，應該鼓勵往設計結構化、強度成熟化等方面發展。

1.3 電池包系統設計基本思路

根據上述需求，在電池包設計時，需滿足以下需求。

（1）針對某一類型電池，能根據其尺寸確定包括電池連接件、電池信息采集件以及電池外部保護件的最小結構單元。

（2）考慮電池不同連接方式，該最小結構能滿足電池的串并聯問題，以發揮最小結構單元的能源特性。

（3）電池包與電池管理系統緊密結合，電池管理系統與最小結構單元緊密結合。

（4）具備良好的散熱和加熱借口[4，9]，可實現不同溫度狀態下的監測和電池保護。

2 結構化電池包模型

根據上述電池包設計思路，該文設計的電池包主要包括以下幾方面的關鍵技術：（1）電池選型及電池連接情況。（2）電池外部包括殼設計。（3）電池管理系統結構優化設計。

目前動力電池按其外形可分為3類：（1）方塊電池，其體積、容量較大，能量密度較高，一般僅通過串聯即可完成整個電池包的連接。相比其他類型電池，在整車上使用數量相對較少，管理也相對方便，可以監測到每個電池。但其中某一電池損壞將影響整體；同時其體積較大的特點直接導致電池包空間結構會受到較大的制約。（2）圓柱形電池，其體積、容量較小，一般通過并聯和串聯相結合的方式完成整車電池包的連接。基于這種電池設計的電池包可塑性較強。由于電池采用串并聯組合，某一電池的損壞對整體影響不大。但柱形電池在整車上數量多，通常采用模塊化對電池管理（如以每一并聯組合作為一模塊）。（3）軟包電池，其比能量大，可通過串并聯、或者單純串聯的方式完成整車電池包連接。但由于其本身特點對極柱連接的穩固性、軟包外部安全保護的要求比較高，相比方形電池和圓柱形電池，其電池包設計思路會更加復雜。

綜上所述，該文采用圓柱形電池作為設計對象，并以32650電池作為設計模型（圖1（a））。該電池頭尾分別配置螺絲和螺母，可以實現首尾相擰串聯連接。考慮實現電池并聯以及數據采集，該文設計了電池支架（圖1（b））放置于電池和電池之間。

為實現電池外部有比較可靠的保護以及通風狀況良好，該文設計一套基于管柱結構的電池外保護殼體（圖2（a））。

該保護殼長度帶外部凹槽結構，由高分子材料擠壓成型（圖2（b））。管狀體內順序裝填電池和電池支架。電池管內部設置內定向槽，安裝過程中電池支架通過內定向槽實現安裝方向及位置固定。將已裝填電池和電池支架的電池管單元按水平和豎直方向依次并排形成電池管陣列（圖3）。

為保證管柱電池之間能夠相互固定，并且起到并聯或者電壓采集作用，該文設計了可嵌在相鄰電池管單元外凹槽之間的固定條、并聯條及數據采集條（圖4）。

電池陣列的外圍用鎖緊帶將電池陣列捆綁成一整體，電池陣列端部設置有并聯極板及絕緣端罩，形成一個帶內部縱向空間通道的結構化電池包（圖5）。

3 實驗研究

為驗證該文結構的可靠性，現在Ansys Workbench 15.0對該結構化電池包進行靜態仿真。

目前，電池管柱的基本參數如表1所示。

現以9×10串電池作為電池包結構，排成3×3陣列，其總重量為35 kg，電池包固定箍螺栓孔面積為75.36 mm2。通過靜態受力分析，其結果如圖6、圖7、圖8所示。

通過分析可得在自身重量慣性作用下，該電池包所受各參數如表2所示。

通過比較可知，電池包所受到的壓強遠小于PVC管柱的最大抗壓和抗彎曲強度，在靜態受力分析方面強度滿足要求。

4 結語

該文描述了純電動汽車電池包關鍵技術及相關的設計思路，并提出了一種新型的結構化電池包設計方案，通過靜態分析，驗證了該電池包結構上的合理性，其設計具有一定的參考價值。另外，電池包熱分析、動態分析以及碰撞分析等方面的研究也將是該文接下來研究的重點。

參考文獻

[1] 吳長德，戴江梁，唐煒，等.基于某電動汽車電池箱焊點的疲勞壽命預測與優化[J].機械強度，2013，35（5）：663-667.

[2] 廖萍，周陳全，倪紅軍，等.基于Workbench的電池組支架結構分析及優化[J].制造業自動化，2014，36（7）：30-32.

[3] 谷理想.電動汽車電池包疲勞壽命預測[D].大連交通大學，2014.

[4] 董晨，魏學哲，戴海峰，等.車用電池包風道設計與仿真[J].機電一體化，2013（9）：82-88.

[5] 王陽，寧國寶，鄭輝.集中電機驅動純電動汽車電池包設計[J].汽車技術，2011（7）：32-35，46.

[6] 楊國勝.電動汽車動力電池組熱管理系統研究[J].科技創新導報，2015（4）：178-180.

[7] 鄭岳久.車用鋰離子動力電池組的一致性研究[D].清華大學，2014.

[8] 酈柏金.電池配組算法研究與系統實現[D].杭州電子科技大學，2014.

[9] 車杜蘭，周榮，喬維高.電動汽車電池包散熱加熱設計[J].北京汽車，2010（1）：5-7，39.