純電動(dòng)汽車(chē)電池包關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)化方法

何斌成 許鈾 李梓立 李杰浩

摘 要：電池包是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力的基礎(chǔ)，也是電動(dòng)汽車(chē)安全的主要因素。該文通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電池管理以及熱管理3方面進(jìn)行了分析，提出了結(jié)構(gòu)化電池包的優(yōu)化方法，并給出一套基于32650圓柱形的結(jié)構(gòu)化電池包模型，通過(guò)靜力學(xué)仿真以及受力變形實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的有效性。

關(guān)鍵詞：電池包 結(jié)構(gòu)化 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，已成為不可逆的趨勢(shì)[1-3]。其中，電池是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力的基礎(chǔ)。電池包是電池的載體，負(fù)責(zé)電池的安全管理、連接與排列、整體固定等功能；電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，不僅影響著整車(chē)的安全使用以及維護(hù)，同時(shí)也影響著電池包生產(chǎn)、拆卸及安裝?？v觀目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)電池包系統(tǒng)，主要可以分為兩大類(lèi)：（1）電池箱類(lèi)型[4]，該類(lèi)型主要是根據(jù)整車(chē)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一套與整車(chē)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的箱體，并將電池放置于該箱體內(nèi)，使得電池能固定于電池箱內(nèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電池性能的監(jiān)控及管理等功能。（2）整車(chē)結(jié)構(gòu)兼容類(lèi)型[5]，該類(lèi)型考慮電池不占用整車(chē)空間，直接將整車(chē)某些結(jié)構(gòu)部分直接作為電池方式的方向。

為適應(yīng)電池包系統(tǒng)的規(guī)?；a(chǎn)，方便設(shè)計(jì)以及使用維護(hù)，該項(xiàng)目針對(duì)廣大電池包特點(diǎn)，提出結(jié)構(gòu)化電池包的思路，并以此思路在系統(tǒng)層面上對(duì)電池包進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以32650電池為原型給出基于管柱型電池包的模型，并通過(guò)靜態(tài)和受力分析驗(yàn)證所提模型的有效性。

1 電池包設(shè)計(jì)基本思路

1.1 電池包系統(tǒng)基本特點(diǎn)

電池包系統(tǒng)是根據(jù)整車(chē)動(dòng)力特點(diǎn)，選取特定電池，并根據(jù)其外形尺寸，采用一定的方式，通過(guò)排列組合形式將電池進(jìn)行組合；除此，還配備有電池電壓、溫度、電流的檢測(cè)以及電池安全控制的接口[6]。

考慮規(guī)?；O(shè)計(jì)及生產(chǎn)，使電動(dòng)汽車(chē)能更加安全、高效、方便地設(shè)計(jì)和使用，電池包應(yīng)當(dāng)具備以下特點(diǎn)。

（1）具備高性能的故障診斷和保護(hù)能力，在電池出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候能及時(shí)進(jìn)行保護(hù)及報(bào)警。意在當(dāng)電池包發(fā)生故障時(shí)，其內(nèi)部及外部能自動(dòng)切斷主電源連接，保證故障電池與其他電池實(shí)現(xiàn)物理隔離；同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)電池?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，方便維護(hù)人員對(duì)電池性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

（2）結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)也必須具備一定的防護(hù)和強(qiáng)度性能，以求內(nèi)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(chǎn)及后續(xù)維護(hù)過(guò)程中[7-8]，易于組裝和拆卸，方便維護(hù)人員工作。

（4）模塊化程度高，空間結(jié)構(gòu)兼容性強(qiáng)；能根據(jù)不同的使用空間，快速地進(jìn)行電池包設(shè)計(jì)，方便設(shè)計(jì)人員針對(duì)不同車(chē)型能快速地實(shí)現(xiàn)電池包設(shè)計(jì)。

（5）電池包總質(zhì)量輕量化，對(duì)提高整車(chē)?yán)m(xù)駛里程有一定的積極意義。

1.2 電池包系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)要求

根據(jù)上述特點(diǎn)，要求電池包系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)必須滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)。

（1）系統(tǒng)安全性高。電池包的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要強(qiáng)，能滿(mǎn)足在特殊情況下，電池包具有一定的抗沖擊力及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證在強(qiáng)烈沖擊下，單體電池具備一定的抗沖擊能力，同時(shí)電池包結(jié)構(gòu)的變形小，單體電池破壞少。

（2）能做到單體隔離。當(dāng)某一單體電池受損時(shí)，能自動(dòng)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(wèn)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(xiàn)有電池的理想使用溫度為10 ℃～45 ℃之間，這要求電池包系統(tǒng)中恰當(dāng)?shù)靥砑由岷图訜嵫b置保護(hù)電池，確保電池有最佳的充放電狀態(tài)。

（4）具備靈活的串并聯(lián)組合方式；電動(dòng)汽車(chē)用電池必須通過(guò)單純串聯(lián)、或者先并聯(lián)后串聯(lián)、或者先串聯(lián)或者并聯(lián)的方式進(jìn)行組合。這涉及到單體電池之間的連接問(wèn)題，如何安全、快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)單體電池連接，是目前眾多電池包生產(chǎn)商一直在思考的問(wèn)題。

（5）針對(duì)不同車(chē)型，能適應(yīng)不同的應(yīng)用空間，易設(shè)計(jì)及組裝。目前電池包的設(shè)計(jì)，多是跟隨車(chē)輛空間以及結(jié)構(gòu)限制，使得電池包設(shè)計(jì)呈現(xiàn)分散化、結(jié)構(gòu)特殊性強(qiáng)等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)將不利于電池包的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)該鼓勵(lì)往設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化、強(qiáng)度成熟化等方面發(fā)展。

1.3 電池包系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本思路

根據(jù)上述需求，在電池包設(shè)計(jì)時(shí)，需滿(mǎn)足以下需求。

（1）針對(duì)某一類(lèi)型電池，能根據(jù)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(hù)件的最小結(jié)構(gòu)單元。

（2）考慮電池不同連接方式，該最小結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足電池的串并聯(lián)問(wèn)題，以發(fā)揮最小結(jié)構(gòu)單元的能源特性。

（3）電池包與電池管理系統(tǒng)緊密結(jié)合，電池管理系統(tǒng)與最小結(jié)構(gòu)單元緊密結(jié)合。

（4）具備良好的散熱和加熱借口[4，9]，可實(shí)現(xiàn)不同溫度狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)和電池保護(hù)。

2 結(jié)構(gòu)化電池包模型

根據(jù)上述電池包設(shè)計(jì)思路，該文設(shè)計(jì)的電池包主要包括以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)：（1）電池選型及電池連接情況。（2）電池外部包括殼設(shè)計(jì)。（3）電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目前動(dòng)力電池按其外形可分為3類(lèi)：（1）方塊電池，其體積、容量較大，能量密度較高，一般僅通過(guò)串聯(lián)即可完成整個(gè)電池包的連接。相比其他類(lèi)型電池，在整車(chē)上使用數(shù)量相對(duì)較少，管理也相對(duì)方便，可以監(jiān)測(cè)到每個(gè)電池。但其中某一電池?fù)p壞將影響整體；同時(shí)其體積較大的特點(diǎn)直接導(dǎo)致電池包空間結(jié)構(gòu)會(huì)受到較大的制約。（2）圓柱形電池，其體積、容量較小，一般通過(guò)并聯(lián)和串聯(lián)相結(jié)合的方式完成整車(chē)電池包的連接。基于這種電池設(shè)計(jì)的電池包可塑性較強(qiáng)。由于電池采用串并聯(lián)組合，某一電池的損壞對(duì)整體影響不大。但柱形電池在整車(chē)上數(shù)量多，通常采用模塊化對(duì)電池管理（如以每一并聯(lián)組合作為一模塊）。（3）軟包電池，其比能量大，可通過(guò)串并聯(lián)、或者單純串聯(lián)的方式完成整車(chē)電池包連接。但由于其本身特點(diǎn)對(duì)極柱連接的穩(wěn)固性、軟包外部安全保護(hù)的要求比較高，相比方形電池和圓柱形電池，其電池包設(shè)計(jì)思路會(huì)更加復(fù)雜。

綜上所述，該文采用圓柱形電池作為設(shè)計(jì)對(duì)象，并以32650電池作為設(shè)計(jì)模型（圖1（a））。該電池頭尾分別配置螺絲和螺母，可以實(shí)現(xiàn)首尾相擰串聯(lián)連接?？紤]實(shí)現(xiàn)電池并聯(lián)以及數(shù)據(jù)采集，該文設(shè)計(jì)了電池支架（圖1（b））放置于電池和電池之間。

為實(shí)現(xiàn)電池外部有比較可靠的保護(hù)以及通風(fēng)狀況良好，該文設(shè)計(jì)一套基于管柱結(jié)構(gòu)的電池外保護(hù)殼體（圖2（a））。

該保護(hù)殼長(zhǎng)度帶外部凹槽結(jié)構(gòu)，由高分子材料擠壓成型（圖2（b））。管狀體內(nèi)順序裝填電池和電池支架。電池管內(nèi)部設(shè)置內(nèi)定向槽，安裝過(guò)程中電池支架通過(guò)內(nèi)定向槽實(shí)現(xiàn)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(lián)或者電壓采集作用，該文設(shè)計(jì)了可嵌在相鄰電池管單元外凹槽之間的固定條、并聯(lián)條及數(shù)據(jù)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(shè)置有并聯(lián)極板及絕緣端罩，形成一個(gè)帶內(nèi)部縱向空間通道的結(jié)構(gòu)化電池包（圖5）。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證該文結(jié)構(gòu)的可靠性，現(xiàn)在Ansys Workbench 15.0對(duì)該結(jié)構(gòu)化電池包進(jìn)行靜態(tài)仿真。

目前，電池管柱的基本參數(shù)如表1所示。

現(xiàn)以9×10串電池作為電池包結(jié)構(gòu)，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(guò)靜態(tài)受力分析，其結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。

通過(guò)分析可得在自身重量慣性作用下，該電池包所受各參數(shù)如表2所示。

通過(guò)比較可知，電池包所受到的壓強(qiáng)遠(yuǎn)小于PVC管柱的最大抗壓和抗彎曲強(qiáng)度，在靜態(tài)受力分析方面強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

該文描述了純電動(dòng)汽車(chē)電池包關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)的設(shè)計(jì)思路，并提出了一種新型的結(jié)構(gòu)化電池包設(shè)計(jì)方案，通過(guò)靜態(tài)分析，驗(yàn)證了該電池包結(jié)構(gòu)上的合理性，其設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。另外，電池包熱分析、動(dòng)態(tài)分析以及碰撞分析等方面的研究也將是該文接下來(lái)研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳長(zhǎng)德，戴江梁，唐煒，等.基于某電動(dòng)汽車(chē)電池箱焊點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)與優(yōu)化[J].機(jī)械強(qiáng)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(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36（7）：30-32.

[3] 谷理想.電動(dòng)汽車(chē)電池包疲勞壽命預(yù)測(cè)[D].大連交通大學(xué)，2014.

[4] 董晨，魏學(xué)哲，戴海峰，等.車(chē)用電池包風(fēng)道設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)電一體化，2013（9）：82-88.

[5] 王陽(yáng)，寧國(guó)寶，鄭輝.集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車(chē)電池包設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)技術(shù)，2011（7）：32-35，46.

[6] 楊國(guó)勝.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組熱管理系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（4）：178-180.

[7] 鄭岳久.車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池組的一致性研究[D].清華大學(xué)，2014.

[8] 酈柏金.電池配組算法研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].杭州電子科技大學(xué)，2014.

[9] 車(chē)杜蘭，周榮，喬維高.電動(dòng)汽車(chē)電池包散熱加熱設(shè)計(jì)[J].北京汽車(chē)，2010（1）：5-7，39.