純電動乘用車動力電池包整車布置集成簡析

◆文/山東 李子敬 程增木

一、純電動乘用車動力電池現狀

經過不斷發展，鉛酸電池、鎳氫電池逐漸退出歷史舞臺，鋰離子電池(鋰電池)成為主要的車用動力電池。市場上已經量產的鋰電池主要差異為外形及正極材料，不同鋰電池各項指標參數對比分析列于表1。

二、純電動乘用車車用動力電池分類

按照外形和大小進行分類，常見的純電動乘用車動力電池電芯可分為圓柱形電池、鋼殼/鋁殼電池及軟包聚合物電池三種類型，如圖1所示。

圖1 常見的純電動乘用車動力電池電芯類型

三、純電動乘用車動力電池包整車架構集成分析

1.合理布置集成動力電池包

在純電動車項目前期架構開發中，合理布置集成動力電池包至關重要。離地間隙、碰撞安全及電量需求等方面都需慎重考慮。動力電池離地間隙及周邊布置環境如圖2所示。即使電池下表面有結構件保護，動力電池也需滿足以下條件：在汽車振動時，最大上跳的狀態下，電池距離地面需要保證一定的間隙；滿載狀態下需保證合理的離地間隙；電池RESS(可再充能量存儲系統)在正向需要有保護；電池RESS布置不得低于周邊車身結構的最低面。

圖2 動力電池離地間隙及周邊布置環境

2.潰縮空間對電池Y向尺寸的限制

如圖3所示，由于電池的工作電壓一般為大于300V的高壓電，且電池單體里的電解液腐蝕性較高，因此電池包在整車布置時需要設置合理的安全潰縮間隙，其中側向碰撞工況尤為苛刻。具體車型要通過CAE(Computer Aided Engineering，指工程設計中的計算機輔助工程)迭代分析手段，得出合理的電池到門檻板側向潰縮距離設計。

圖3 電池包Y 向尺寸限制分析

3.整車載荷傳遞路徑對電池包設計的限制

整車載荷傳遞路徑可以大致分解為：前艙載荷路徑、前中地板載荷傳遞和后地板載荷路徑。由于未來的電池包布置方案基本都在地板下方平鋪，所以前中地板載荷傳遞路徑設計與電池包的結構方案息息相關。

根據大量的CAE軟件分析及競爭車型研究，一般在前中地板的上方會布置兩根橫梁，其主要功能是為座椅做支撐、防止碰撞時座椅被拉拽，同時也承載柱碰時的載荷傳遞；地板下方的電池包內部結構設計會盡量使前后模組之間的橫梁與2號、3號梁的位置偏差最小，以提高側面碰撞時電池的抗壓力。

經過拓撲優化(根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化數學)，對于地板下方的載荷傳遞，主要是通過布置電池側面的縱梁延伸梁及電池前方的1.5號梁來完成，如圖4所示，圖中紫色縱向梁通過三角形結構及1.5號梁與前艙縱梁連接，進行正面碰撞的載荷傳遞；同時電池框架也應作為載荷傳遞路徑與車身載荷路徑一起配合；電池包內部的梁結構應與車身2、3、4號梁、中央通道梁位置保持一致。

圖4 前中地板上方載荷傳遞路徑集成方案

4.續航里程對于電量的需求

對同樣的電池單元模組而言，續航里程和電池的能量密度及容量有關，而電池的容量參數又是由其內部電芯單體串并聯的數量和方式所決定的，因此，最終會導致電池包整體形狀和大小發生變化。

5.電池包安裝接口要求

電池包在整車上的安裝方式直接影響其模態和強度，一般在電池包四周每隔一段距離需要布置一個安裝點，如果整體電池包長度大于2 m，建議在中間位置增加吊掛點改善模態。

6.電池包外部保護要求

電池RESS作為重要的安全件，在整車設計的時候需要設計一系列的結構方案去保護它。一般成熟的方案是在電池的底部增加鋼制材料的防護板，與電池底板螺接固定，同時還需在安裝點附近涂抹密封膠，防止在車輛使用過程中異物及水的浸入，具體方案如圖5所示。

圖5 電池包底護板方案

四、結語

本文重點介紹了動力電池包在整車前期架構布置集成中需要考慮的因素，并未過多分析電池包與電動機的系統電壓匹配、電池包的冷卻設計及目標電量的選擇等方面內容，但在實際項目中，這些設計指標也是直接影響車型電池包設計的關鍵要素，都需要進入深入研究分析。