探析純電動汽車電池包結構設計及特性

韓南南 王昌權

摘要：當前純電動汽車一般均采用鋰電池作為電池單體，它被設計于動力電池包中，發揮了重要的汽車動力支持作用。實際上，純電動汽車電池包在結構設計中遵循多層次系統結構設計理念，因此本文中就希望研究電池包的成組結構設計與力學特性。

關鍵詞：電池包;成組結構設計;力學特性;純電動汽車

電池包屬于大容量電池單體，它的工藝相當復雜，所以制造成本高昂且安全性也存在隱患問題。電池包在結構設計方面追求構建獨立電源系統，利用小容量電芯串聯或并聯組合形成完整電池包結構，如此可滿足電動汽車的實際運行需求。

1、電池包的基本結構框架設計

電池包的基本結構框架設計包含了電池串并聯兩種方式，基于電池單體的連接方式會直接影響到電池的一致性、可靠性以及使用壽命。

上述兩種電池包的串并聯模型在單體故障發生概率方面是相同的，而其中的電池包單體也相互獨立。就以串并聯數學模型為例，它可考慮建立以下數學模型[1]。在數學模型中，要分析系統可靠度，建立集合，客觀表示第i個單元的可靠度，而數學模型中m表示了并聯電池數，n表示了串聯的電池數。結合上述計算，可分析串并聯模塊中單個電池的損壞度，避免其影響其它電池單元的工作狀態。考慮到電池模塊的容量會明顯下降，因此需要做到設計合理，保證通過串并聯電池模塊有效提高電池組運行安全可靠性，同時它對電池電壓均衡也具有相當促進作用。

在對比不同串并聯方式基礎之上，應該考慮先并聯后串聯的電池組，它的安全可靠性表現更好，且在電池電壓一致性表現上，BMS計算成本方面都是具有相當大的優勢的。可采用先并聯后串聯的方式，得出以下電池包基本結構框架。

如上所述，電池包所采用的是分層設計模式，其中每18塊電池單體并聯形成一套完整的電池模塊，結合電池包電壓需求進行組合，再串聯得出24個電池模塊。電池模塊的運行穩定性相當之高，但是在設計過程中也要充分考量電池模塊的絕緣性與對電池模塊的穩定固定。在設計電池包結構框架時，需要合理選擇其電池單體布置方式，因為電池模塊尺寸與電池單元排布關系相對偏大，所以可采用并行排列與錯位排列兩種方式。不過，錯位排列會導致電池模塊溫差均勻性表現較差，所以從散熱與固定位置兩點考慮，還應該選擇并行排列方式最為合理[2]。

2、電池包結構的成組設計分析

電池包的結構設計遵循成組設計模式原則，這是因為在純電動汽車動力電池包中包含了多個電池模塊的，電池模塊在合理布局后可保證電池包整體運行安全性。在進行電池模塊布置過程中，需要保證電池包中所有電池模塊的使用狀況相互統一一致，并保證電池模塊之間安全距離，合理控制電壓差。一般來說，純電動汽車的動力電池包中應該排列了24個電池模塊，其中每6個電池模塊固定在一起組成一個小電池組，4排電池組并排排列組成一個大電池組。

電池包結構的成組設計中應該包括電池組固定結構設計、冷卻結構設計、線束與電氣接口設計等等。下文專門介紹了它的冷卻結構設計。

電池包冷卻結構設計是從選擇散熱結構展開的，散熱結構設計優劣會直接影響到電池性能。因此，在針對純電動汽車進行電池包選擇過程中應該做到因地制宜，合理設計其散熱結構與冷卻結構。以冷卻結構為例，它的冷卻設計方式主要包含了液冷、空氣冷（風冷）、相變材料冷以及散熱管冷等等。相比于多種冷卻設計方式，空氣冷最為合理，因為它的設計結構簡單、成本更低，下文選擇為電池包設計強制風冷散熱結構。強制風冷設計結構應用范圍較廣泛，風冷成本偏低，但是在設計過程中也必須慎重考慮其串行風冷不均勻，冷卻效果有限等等缺點。這種冷卻結構設計雖然成本低廉，但是在高溫、高電流環境下容易出現散熱時空問題。目前比較常見的風冷通風方式包括了并行風冷與串行風冷，其中并行風冷設計可保證電池單元溫差偏小，但在結構設計方面相比于串行風冷更為復雜。考慮到動力電池包在縱向長度方面嚴重不足，對流強度偏大，所以電池模塊在溫差表現上并不明顯，因此選用串行風冷設計方式更為合理。具體到設計方面，應該在電池包左側設計進氣口，右側箱壁位置安裝一排排風扇，確保氣流能夠順利通過進氣口，直接流入到電池單體縫隙中，最后經過散熱風機排放到電池包以外位置。在排風機設計方面要確保風扇排氣均勻，同時計算排風口風速[3]。

3、電池包結構的動力學特性研究

在完成純電動汽車的電池包結構框架成組設計后，要對電池包結構的動力學特性進行分析，以下簡單研究兩點。

3.1對極限工況背景下電池包強度的校核

電池包強度屬于電池包結構動力學中的重要指標，在純電動汽車行駛過程中，動力電池箱不會直接承受工作荷載，因為電池箱內部會受到外部汽車顛簸、轉彎以及急停過程中外力作用，這就說明了汽車行駛工況是非常復雜的。在這里需要分析的是在極限工況背景下電池包校核是相當重要的。結合國內相關標準，如果汽車在行駛顛簸過程中加速度為2g，縱向加速度為1g，轉彎過程中加速度為0.4g，那么就要分析顛簸與緊急剎車工況。在分析過程中會發現，載荷是不會呈現在電池模塊之上的，它在模擬電池模塊過程中會對電池箱體與電池支架作用力進行分析， 并在電池模塊后部向前施加1mg載荷，再向下施加3mg載荷。對電池包最大應力值進行分析。一般來說，應該在左側電池組安裝孔處進行分析，保證其材料許用應力值設置到位。

再分析電動汽車的轉彎過程，電池包承受的最大應力值將會上升，再通過極限工況分析電池包應力云圖能夠發現，電池箱體應該在兩種極限工況下呈現兩大應力值，但兩大應力值應該都小于材料許用應力值。這就說明了電池箱能夠承受極限荷載，且也能夠承受電池模塊對箱體的沖擊力[4]。

3.2對動力電池包模態特性的分析

其次要對動力電池包的模態特性的分析，它的主要檢驗目的主要是檢驗電池包固有模態，分析錯開載荷激勵頻率，同時實現對第一階模態頻率進行提高。在汽車行駛過程中，要分析動力電池模態特性的激勵源，具體如下：

當汽車在行駛過程中，如果車速≤150km/h，車輪會由于不平衡引發劇烈激振頻率，其頻率會超過20Hz以上，而電池箱體的固有頻率也被控制在20Hz左右。另外就是分析電池箱體上蓋位置的彎曲振動，如此可有效提高箱蓋剛度。在設計中可合理設計分析電池箱體在每階段的固有頻率，保證其固有頻率遠遠大于車輪不平衡激振頻率，如此分析動力電池包結構是具有一定科學合理性的[5]。

總結

綜上所述，在純電動汽車中對電池包的設計涉及諸多技術內容，本文中簡單對其結構成組設計與動力表現特性進行了簡單剖析，了解了電池包的設計要求，證明其設計是具有較高的能量比與較小體積的，它能夠滿足純電動汽車的使用要求。而在未來還需進一步優化電池包設計結構，減小電池包體積，降低其整體質量。最后也希望借此機會實現對電池包設計改進，持續提高純電動汽車整體運行性能，對其內部結構進行全面優化調整。

參考文獻：

[1]劉元強.純電動汽車電池包結構設計及特性研究[D].江蘇：東南大學，2016.

[2]琚安建.四輪獨立驅動電動車平板式電池包結構設計及分析[D].江蘇：東南大學，2017.

[3]張良.純電動汽車鋰離子電池的熱分析及散熱結構設計[D].江蘇：江蘇大學，2017.

[4]趙萬東.純電動汽車車身減阻與電池散熱耦合優化研究[D].湖南工業大學，2015.

[5]卞燁峰，褚超美.基于OptiStruct的電動汽車電池包結構仿真及驗證[J].農業裝備與車輛工程，2020，58（5）：131-134.