新能源汽車動力電池系統結構設計

虞彬彬

摘 要：新能源汽車的飛速發展，使得作為新能源汽車的三大部件之一——動力電池系統備受關注，動力電池系統的機械結構區別于傳統的機械結構，不僅與機械工程、工程力學相關，還與電化學、熱力學、電磁學等有關，動力電池系統將這些方面的零部件有機的結合在一起，為新能源汽車提供動力。

關鍵詞：新能源；動力電池系統；結構設計

汽車是現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境的惡化，世界各國都在大力發展節能、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已經步入高速發展階段，技術和市場成熟度不斷提高、關鍵零部件配套能力也得到大幅提升，行業整體發展繁榮。

動力電池系統作為一個獨立的零部件安裝在電動汽車上，為整車提供動力。在進行結構設計時，首先需要滿足基本功能和機械安全；當前主流的電動汽車使用的鋰電池作為動力電池，在設計過程中還需要考慮電氣安全、化學安全、電磁兼容、防火防爆、防水防塵等等。

動力電池系統結構的總體設計需要滿足以下要求：

（1）機械結構設計的通用要求。

基于整車坐標系進行開發，以利于產品開發過程中的數據校核。

（2）機械強度和剛度。

安裝和加強部位防止出現疲勞失效，在極限工況條件下，電池系統各部分不得發生破壞和失效。

（3）機械振動和沖擊。

測試對象按GB/T 2423.43的要求，在z軸方向沖擊3次，觀察2h，要求電池包或系統無泄漏、外殼破裂、著火或爆炸等現象。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，擠壓力達到100 kN或擠壓變形量達到擠壓方向的整體尺寸的30%時停止擠壓，電池包或系統無著火、爆炸等現象。

（6）密封防護需要滿足IP67要求。

（7）底部抗石擊、球擊和穿刺性能。

（8）防腐、防爆性能。

（9）外部標識清晰。

（10）在滿足以上要求時盡量輕量化設計。

動力電池系統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、電氣及熱力學等較強的專業方面的知識，本文不做詳細的討論。

1 電芯模組結構設計

1.1 電芯的選型

鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度高、循環壽命長、電壓使用范圍寬、無記憶效應等優點，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能力及產能、單體電芯的安全性、整車電池系統的包絡空間及成組后的整包的能量密度。

1.2 模組結構設計

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的要求將多個單體電芯串、并聯在一起，從而電壓和容量都能達到設計之初的要求，在動力電池系統起到承上啟下的作用。但是受電芯的規格型號、材料、形狀、安全及化學性能，箱體的外形包絡，企業的生產設備、生產效率及成本等諸多影響，模組的形狀和大小是多種多樣。

（1）模組結構設計需要滿足這些要求；機械安全要滿足機械振動沖擊、擠壓、穿刺、電芯沖、放電時的膨脹、機械連接可靠；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；熱管理要求滿足導熱散熱、熱失穩防護；工藝和成本要求滿足工藝可行性、生產效率高、成本低、重量輕等要求。

（2）圓柱電芯模組結構設計，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，但它自身還是會轉動，因此需要用自動點膠機在圓孔的內部涂膠，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，來加強模組以滿足強度要求。

（3）方形電芯模組結構設計，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）軟包電芯模組結構設計，軟包電芯在結構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，軟包電芯模組結構設計與方形電芯模組設計類似，由于軟包電芯自身的強度和剛度較差，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；也有設計在軟包電芯外面加一種保護外殼，成為一個簡化的方形電芯再成組。

2 箱體結構設計

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，結合面中間加有密封圈達到防水防塵作用。

（1）箱體上蓋結構設計。當前箱體上蓋的材質一般有鈑金、鋁材質和復合材料。鈑金和鋁材質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，復合材料一般使用模壓成型。鈑金和鋁材質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，外形更改方便但產品加工成本較高，價格較貴；復合材料上蓋一般批量生產時用的較多，產品單價便宜且重量輕。上蓋設計時還要考慮強度、防火和防熱沖擊等。

（2）箱體底座結構設計。箱體底座是電池系統的承重部件，設計時較上蓋復雜，當前箱體底座的材質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焊；鋁合金底座一般使用低壓砂型鑄造。箱體底座結構設計需要關注的有機械強度、防腐蝕、防石擊、密封防水、輕量化、定位和固定點及內部滿足擠壓振動及固定模組等的橫、縱梁設計。

3 結論

（1）根據不同的箱體包絡及電芯型號設計符合要求的模組和箱體底座。

（2）動力電池系統結構的總體設計需要滿足以下要求機械強度和剛度、電氣安全等各方面的要求。