新能源汽車動力電池系統結構設計

陳勇軍

摘 要：基于節能減排理念的提出，以及新能源產業的迅速發展，新能源汽車普及率越來越高，動力電池系統作為新能源汽車的關鍵組成部件，其工作性能及運行能力將會直接影響汽車使用。為了更好的推廣新能源汽車，便需要加大對新能源汽車動力電池系統的研究力度，提高設計水平和設計質量。文章分析了其主要組成，結合設計要求給出了具體的設計方案，希望有所借鑒和啟示。

關鍵詞：新能源汽車；動力電池系統；結構設計；具體方案

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0088-02

汽車作為一種最為普遍的現代交通工具之一，為人們的生活帶來了諸多便利。但是隨著石油資源緊缺現象的日漸突出，以及大氣污染的程度的日益加重，都必須大力發展清潔、無污染的新能源汽車，這已經引起了世界各國的廣泛關注，成為了當下新能源領域的研究熱點。而關于新能源汽車動力電池系統，是其中的一項重要研究內容，與汽車動力有著直接關聯，這就需要從多個方面進行綜合考慮，保證其結構設計的科學性、合理性、安全性，從而提升新能源汽車整體性能。

1 新能源汽車動力電池系統主要組成

動力電池系統主要由電池模塊、電池模塊支架、電池箱體、電池管理系統、高壓電路控制系統、熱管理系統、安全控制模塊等幾部分組成。（1）電池模塊具備電能存儲功能，可利用電池模塊支架在電池箱中將其固定好，以便在動態的環境中使用。（2）通過電池箱體，可以將整個動力電池系統連接成為一個整體，并作為整個系統的承載體，還可防護外力對其造成破壞。（3）為保證動力電池的安全性、延長其使用壽命，需要借助電池管理系統依據汽車實際運行工況進行相應的電池工作狀態調整，保證電池在最佳工作范圍中運行。（4）新能源汽車運行時會出現高低溫現象，此時便需要通過熱管理系統進行溫度管控，保證動力電池的穩定運行，其具體功能包括溫度監控及報警、加熱、冷卻、安全輔助控制等。（5）出于新能源汽車安全行駛考慮，為避免外部撞擊或者電路短路影響動力電池工作性能，保護駕駛員和車輛安全，動力電池系統中還設置有安全控制模塊，以提供被動保護。這些都是新能源汽車動力電池系統的重要組成部件，通過彼此之間的協同合作及穩定工作，保證新能源汽車的安全和有效的運行。

2 新能源汽車動力電池系統結構設計要求

（1）保證系統結構具有較強的強度和剛度，滿足GB/T 31467.3-2015各項測試要求，不得出現泄漏、外殼破裂、著火或爆炸等現象。（2）各個機械零部件不得出現疲勞失效現象，尤其是安裝和加強部位，并且確保動力電池可以在極限工況下正常使用和運行。（3）保證動力電池系統結構外露底端具有抗石擊、球擊和穿刺性能。（4）保證動力電池系統有著良好的密封防護性能，滿足IP67要求。（5）保證動力電池系統具有良好的防腐、防爆性能。（6）系統的絕緣電阻應大于100Ω/V，帶電端子之間的爬電距離滿足電工相關安全標準。（7）保證動力電池系統外部安全標識清晰，并做好防呆設計，保證使用安全。（8）保證系統結構件的模塊化設計，增強其通用性。（9）考慮系統結構的輕量化設計，提高能量密度。只有在設計新能源汽車動力系統結構時全面考慮各方需求，統籌均衡，才能實現較為理想的設計效果。

3 新能源汽車動力電池系統結構設計方案

在對新能源汽車動力電池系統結構進行設計時，其中的電池管理系統及熱管理系統會涉及到電子、電氣及熱學等專業知識，此次研究主要從電芯模組結構及箱體結構兩方面進行分析，現將具體設計方案總結如下。

3.1 電芯模組結構設計

新能源汽車動力電池系統所用到電池類型多種多樣，包括鋰離子電池、鎳氫電池、燃料電池、鉛酸電池、超級電容器等。從外觀大致分為方形、圓形和軟包三種形態，在選擇時，應根據電池的性能特點、電池的安全性、動力電池系統空間大小、所能達到的能量密度、用戶的使用工況和環境等因素進行綜合考慮，確定最為合適的一種。

在設計電芯模組結構時，因為單個電芯的電壓及容量都比較小，無法滿足新能源汽車動力需求，所以通常采用串聯和并聯方式，利用結構件將若干電芯組合在一起，以此來提高動力電池系統的電壓和容量，滿足新能源汽車的動力需求。實際設計過程中，電芯模組的大小及形狀存在較大差異，與電芯形狀、型號、模組支架結構、組合方式，以及生產工藝路線等因素相關，在機械性能、電氣性能、熱管理等幾個方面，都需滿足相應的設計要求。對于機械性能來講，應確保各個機械部件的可靠連接，滿足振動沖擊、擠壓、穿刺、電芯充、放電時的膨脹等要求；對于電氣性能來講，應具備良好的絕緣性，滿足爬電距離、防觸摸、短路、過充、過放電等要求；對于熱管理來講，需要確保熱量的及時疏導和擴散，并在熱失穩情況下可以保護動力電池系統正常運行[1]。除此之外，應運用成熟、完善的生產工藝，在保證生產效率的基礎上，盡可能的減輕模組結構重量，提高能量密度。基于鋰離子電池形態的不同，在對電芯模組結構進行設計時，應分別展開討論。首先，當電芯模組結構為方形時，在固定電芯時一般都是使用外圍框架，先將電芯放置在相應位置，施加一定的壓力，然后再利用膠水、帶粘性的材料或者卡扣，在外圍框架上將其固定好。除此之外，也可以用四塊塑料板夾住電芯，再用螺釘將其固定，構成電芯模組，這種方法類似于圓形電芯模組結構設計方法。其次，當電芯模組結構為圓形時，需將具有防火功能的塑料夾板放置到電芯兩頭，根據電芯型號的不同，夾板上有與其相匹配的圓形沉孔，為方便安裝及電池生產，圓形沉孔直徑通常超出電芯直徑1mm[2]。另外，即便是在電芯兩頭將其固定住，但是基于其圓形特點，仍然會出現轉動現象，為解決這種問題，還需要對電芯進行固定處理，在圓形沉孔涂抹一層膠水，可借助自動點膠機完成。所用夾板上下兩端均有一塊表面設置走線槽，用作電壓采樣線和溫感線的連接和排布。同時，為增強電芯模組強度，可用塑料支架填充間隙起到支撐作用，所用支架應根據模組大小和形狀確定，并用螺釘或卡扣將其固定在電芯夾板上。最后，當電芯模組結構為軟包形狀時，可以將其作為方形電芯的簡化版，兩者設計有著很多的相似之處，但是也存在一些差異。軟包電芯模組沒有外殼，其外部為鋁塑膜，其強度和剛度較差，放電時容易發生膨脹，為避免造成電芯相互擠壓，彼此之間應預留一定的空間，卡入到外框中后，可再用粘性的材料將其固定。另外，也可以在軟包電芯外部設置保護外殼，具體形態為簡化的方形，然后再將多個電芯組合在一起形成模組。

3.2 箱體結構設計

新能源汽車動力電池系統的箱體結構，主要包括上蓋和底座兩部分，兩者之間用螺釘連接形成一個整體，為滿足系統結構防水防塵設計要求，箱體上蓋與底座的結合面上，設置有密封圈。具體設計時，應分別就箱體上蓋結構及箱體底座結構進行單獨分析。對于箱體結構的上蓋部分來講，常用的材質主要有鋁材質、鈑金、復合材料等幾種。如果所用材質為前兩種，則可使用兩種工藝技術進行加工，可先折彎再拼焊，也可進行一體式沖壓成型，如果所用材質為最后一種，一般會采用模板成型加工工藝。鋁材質和鈑金的箱體上蓋，在樣品中的使用較多，可脫離模板，直接折彎拼焊進行加工，還能根據實際需求改變外形，但是生產成本及產品價格較高。復合材料的箱體上蓋，在批量生產中比較常見，需要用到模板，產品有著質量輕、價格低等優點。另外，在設計箱體上蓋結構時，還應對其強度、防火性能、防熱沖擊性能等進行綜合考慮，確保滿足相關設計要求。

對于箱體結構的底座部分來講，在整個動力電池系統中起到了承重作用，其結構設計復雜程度要高于上蓋部分。底座常用材質主要有鋁材質和鈑金兩種，加工工藝也分為兩種可先折彎再拼焊，也可進行一體式沖壓成型，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、定位和固定點強化、內部滿足擠壓振動、固定模組的橫、縱梁設計等。

4 實例分析

為解決現有風冷電池包存在電池高溫冷卻效果差、不能防水防塵，體積大、成本高等問題，設計一款新型液冷電池包，其結構組成如圖1和圖2所示。具體設計方案如：

（1）冷卻管道采用多路并聯結構，保證電池冷卻效果一致；（2）電池包采用卡箍固定結構，滿足輕量化設計要求；（3）采樣板直接固定在卡箍上，減少支架設計，減小安裝空間；（4）設計專門的調試倉蓋，便于日常維護。該新型液冷電池包有多個創新點，首先，電池包上下端板開有凹槽，固定條卡入凹槽中，電池包整體采用卡箍框架式固定，結構新穎，重量輕。其次，利用卡箍框架側面固定采樣板，結構緊湊，減小采樣板空間占用。另外，新型液冷管路系統，采用多路并串分流，保證冷卻液流量均勻，同時電池之間的冷卻板也依照電池外形弧度做了對應的彎曲設計，整個管路系統也采用流體仿真分析進行了結構優化，樣品電池包在道路工況測試中，電池包內部溫差可控制在3℃內，達到設計目標。

5 結語

隨著新能源汽車行業的興起，關鍵零部件的設計與加工，引起了業內人士的廣泛關注和重視，同時也影響著該行業的未來發展。動力電池系統是新能源汽車一種尤為重要的零部件，其設計水平及質量直接決定了汽車的動力情況，要想提供充足的動能，確保新能源汽車的穩定、安全運行，必須加大對電池系統結構設計的研究力度。只有在滿足各方面設計要求的基礎上，不斷對系統結構進行改進、優化，才能探索、總結一套更加成熟、完善的設計技術，加快我國新能源汽車行業的發展。

參考文獻

[1]虞彬彬.新能源汽車動力電池系統結構設計[J].科技風，2017，（25）：124.

[2]郭強，鄭燕萍，孫偉明.新能源汽車動力電池關鍵技術的研究現狀[J].山東工業技術，2018，（4）：46-47.