一種純電動(dòng)汽車電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王　兵

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院　上?！?00070

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一種純電動(dòng)汽車電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王兵

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院上海200070

介紹了一種純電動(dòng)汽車鋰離子電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電池包安裝于小型汽車車廂內(nèi)部，高模組安裝于后排車座下方，低模組安裝于車廂踏板下方。電池包分為若干個(gè)小型模組，容易搬運(yùn)，易于布置，方便安裝與連接。電池包已在車輛上進(jìn)行了測(cè)試。

純電動(dòng)汽車； 鋰離子電池包； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1　軟包裝鋰離子電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電池包是純電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源，是電動(dòng)汽車的核心部件之一，電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的多樣性，取決于電池的種類、形狀、尺寸及車體上的放置空間等。鋰離子電池的比能量和比功率都較高，在電動(dòng)汽車應(yīng)用方面有較大優(yōu)勢(shì)。軟包裝鋰離子電池包作為一種大容量的儲(chǔ)能裝置，不但要滿足整車系統(tǒng)的用電要求，而且要滿足安全性、機(jī)械強(qiáng)度、振動(dòng)、絕緣及阻燃性的要求，所以在進(jìn)行電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，需要盡可能多地了解整車的情況及實(shí)際車輛運(yùn)行的要求，對(duì)整車的狀況了解越詳細(xì)，設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)越完善[1]。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要遵循或按照以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。

(1) 在允許的尺寸、質(zhì)量范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)；

(2) 考慮行駛工況、行駛習(xí)慣、充放電條件、安全防護(hù)等對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；

(3) 電池包的結(jié)構(gòu)要便于搬運(yùn)與安裝固定；

(4) 考慮電氣系統(tǒng)及電源接口的要求；

(5) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮加工工藝的問(wèn)題，盡量尋求簡(jiǎn)單可靠的工藝，降低成本；

(6) 結(jié)構(gòu)中，采用符合歐盟通過(guò)的RoHS指令，即電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令標(biāo)準(zhǔn)的材料，克服和解決環(huán)境污染問(wèn)題；

(7) 充分考慮電池包的通風(fēng)散熱或加溫問(wèn)題。

2　ZKLF620純電動(dòng)汽車電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)以ZKLF620車型為例，介紹一下純電動(dòng)汽車相關(guān)電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.1單體電芯參數(shù)

電芯類型： 磷酸鐵鋰軟包裝電芯。

電壓： 3.2V。

單體電芯容量： 20A·h。

電芯尺寸： 250mm×180mm×7.0mm。

2.2電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本參數(shù)

車體內(nèi)安裝電池包的尺寸分為空間1和空間2兩部分，具體尺寸如圖1所示?？臻g1為后排車座下部的空間，高度為296mm；空間2為車廂腳踏板下部的空間，高度只有80mm。

電池包設(shè)計(jì)的基本參數(shù)為：

電壓： 332.8V。

容量： 60A·h。

圖1　車體安裝尺寸

2.3車座下方模塊設(shè)計(jì)

由于車體內(nèi)部放置電池的部分為兩個(gè)不同高度的空間，故需要設(shè)計(jì)兩種不同高度的電池包來(lái)滿足車輛安裝的要求。車座下方空間高度為296mm，綜合電芯及模塊結(jié)構(gòu)的要求，在此空間設(shè)計(jì)3P20S(3并20串)模塊4組。單個(gè)模塊尺寸為452mm×216mm×280mm，單個(gè)模塊質(zhì)量為45kg，3P20S模塊外形如圖2所示。

圖2　3P20S模塊外形圖

3P20S模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 模組的殼體及上蓋均采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，通過(guò)鈑金、焊接等工序加工而成，表面噴涂防銹絕緣漆，既保證了較好的加工性能，又有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。因?yàn)檐洶b鋰離子電池外表是一層薄薄的鋁塑膜材料，容易發(fā)生機(jī)械損傷，為了保護(hù)電芯，在模塊內(nèi)部各電芯周邊均增加了具有保護(hù)作用的彈性材料，縱向有四根M5長(zhǎng)螺桿貫通整個(gè)模組，可以將60片電芯整體夾緊，并可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)夾緊力的大小(夾緊力的大小由前期在電芯上進(jìn)行的測(cè)試數(shù)據(jù)決定)。頂板引出極柱為黃銅材質(zhì)，既保證了小的電阻，又有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，防止連接時(shí)螺紋發(fā)生損壞。極柱表面進(jìn)行了鍍銀處理，可以有效減小接觸電阻。引出極柱與上蓋之間添加了隔離墊片，隔離墊片材質(zhì)為聚四氟乙烯，保證了絕緣要求。模塊下方安裝有固定腳，可以用螺釘與車輛箱體進(jìn)行固定；模塊兩端設(shè)計(jì)有搬運(yùn)的拉手，方便搬運(yùn)或吊裝。模塊的頂部安裝有數(shù)據(jù)采集線通信端子，可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸。

2.4車廂踏板下方模塊設(shè)計(jì)

車廂踏板下方空間面積較大，但高度尺寸只有80mm，因此模塊設(shè)計(jì)只能通過(guò)減少電芯的串?dāng)?shù)來(lái)達(dá)到降低高度的要求。模塊設(shè)計(jì)為3P3S，單個(gè)模塊高度為67.4mm。

生態(tài)文明理念在黃河干流水庫(kù)調(diào)度中的應(yīng)用…………………………………… 蔣曉輝，董國(guó)濤，何宏謀(6.22）

3P3S模塊尺寸為278mm×210mm×67.4mm，單個(gè)模塊質(zhì)量為6.25kg。

3P3S模塊外形如圖3所示。

圖3　3P3S模塊外形圖

3P3S模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 上殼體與下部底板均采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，表面噴涂防銹絕緣漆，下部的鋼板厚度達(dá)到3mm，保證在上殼體與底板固定時(shí)可以將內(nèi)部的電芯夾緊而外殼不變形。上殼體高度尺寸在設(shè)計(jì)時(shí)要控制得比較精確，使其比3串電芯組合后的尺寸略小，這樣在擰緊固定螺釘后才能將內(nèi)部的電芯壓緊。下部底板上還開有4個(gè)固定孔，通過(guò)固定孔可以使模塊固定在車輛的大箱體中，模塊內(nèi)部各電芯周邊均有起保護(hù)作用的彈性材料，保護(hù)電芯并起到減振的作用。正負(fù)極耳通過(guò)電纜線引出，電纜線端部配接有快速接線端子，可以通過(guò)快速拔插進(jìn)行連接與斷開，端蓋兩端固定有不銹鋼材質(zhì)的搭扣，可以將端蓋與殼體固定在一起，并方便以后的維修，頂部的通信端子可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集傳輸。

2.5電池包整體布局

在以上兩種模塊的基礎(chǔ)上，按照車輛空間的要求來(lái)進(jìn)行兩種模組的布局設(shè)計(jì)，在此階段還要充分考慮車輛電氣的設(shè)計(jì)要求，例如車輛主電路的電纜直徑、電纜的走向、電池外箱接線口、通信線路的對(duì)接等，方案均要與客戶進(jìn)行充分的溝通，在充分了解客戶需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，此外還要考慮電池包的安裝位置是否會(huì)影響車輛的質(zhì)心[2]，避免由于質(zhì)量分布造成對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響等(此部分工作交由客戶整車設(shè)計(jì)人員來(lái)校核設(shè)計(jì))。

電池包的整體布局如圖4所示(為表達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，故上蓋未顯示)。

圖4　電池包整體布局

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 一般來(lái)說(shuō)，小型轎車的空間是較為緊湊的，電池包的布置要盡量提高空間的利用率，即體積比能量(W·h/L)和質(zhì)量比能量(W·h/kg)[3]，所以電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要在有限的空間布置盡量多的電芯模塊。在本方案中，根據(jù)車輛空間的要求，將模組分為兩部分，車座下方空間布置4組3P20S模塊共80S，踏板上方布置7組3P3S模塊共21S，這樣整車總共布置101S，總電壓為323.2V，可以滿足電機(jī)的需要。

2.5.1模塊之間的連接

3P20S模組之間采用兩端帶接線鼻的電纜線連接，電纜線為50mm2，表皮顏色為橙色，用M8螺釘將接線鼻與模組的極柱孔固定，4個(gè)模塊中最外面的一組其連接電纜穿過(guò)外箱上面的防水接頭與車輛上的主線相連(圖4中標(biāo)示負(fù)極引出線的一端)，最里面的一組其連接電纜穿出外箱后，最終與踏板下方的模組相連，電纜長(zhǎng)度按車體的實(shí)際情況而定。由于3P3S模組引出線采用的是快速連接端子，故模組之間可以實(shí)現(xiàn)快速拔插連接。需要注意的是，在連接之前要將7個(gè)模組按順序編號(hào)，按照順序依次連接，防止誤連接引發(fā)事故。先將7個(gè)3P3S模組之間連接好，再連接3P20S的電纜線，最后第7組與車體的主電纜相連(圖4中標(biāo)示正極引出線的一端)。

2.5.2模組的安裝固定

3P20S模組質(zhì)量為45kg，可采用小型液壓車進(jìn)行搬運(yùn)，安裝時(shí)可利用兩端的拉手或通過(guò)拉手上面的孔系上合適的提拉繩索，由2～4個(gè)人抬起后慢慢吊裝入箱體內(nèi)。將下方的引腳與箱體用螺釘固定，之后按照正負(fù)極順序連接模塊之間的電纜線，確認(rèn)無(wú)誤后，在箱體邊緣添加密封膠片，再放下上蓋用螺釘旋緊固定。3P3S模組質(zhì)量只有6kg，可人工搬運(yùn)，按照設(shè)計(jì)好的位置依次排列入箱體中，然后用螺釘與箱體固定，之后在箱體邊緣添加密封膠片，蓋上蓋子之后用螺釘旋緊固定。

2.5.3電池管理系統(tǒng)(BMS)的設(shè)計(jì)與安裝

BMS是電池包中的重要環(huán)節(jié)，其主要作用是監(jiān)控電池的狀態(tài)，實(shí)時(shí)采集每一串電芯的電壓、溫度等數(shù)據(jù)，智能化管理及維護(hù)各個(gè)電池單元，防止電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電，延長(zhǎng)電池的使用壽命。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)留出足夠的空間來(lái)放置BMS部件，圖4中布置了數(shù)個(gè)放置BMS采集盒的位置，BMS采集板可以根據(jù)需要多層放置在專門設(shè)計(jì)的金屬盒體內(nèi)。BMS采集盒再與大箱體通過(guò)螺紋固定，利用線束將各個(gè)模塊上的通信端子與BMS采集盒上的通信端子連接。BMS采集盒將各個(gè)模塊的信號(hào)集中在一起，再集中傳輸給車輛的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。

2.5.4電池包的密封與防水

在車座下方箱體與箱蓋之間接合處添加防水密封膠片，利用螺釘將箱蓋與箱體均勻地壓緊，起到防水的作用，防水等級(jí)可達(dá)到IP67，出線口采用防水接頭或防水連接器來(lái)進(jìn)行箱體的密封。

踏板下方的模組是安裝在車體底盤上一個(gè)大凹坑內(nèi)的，在將此箱體放置好之后，從上面壓蓋密封固定，防水的效果由車輛壓蓋的安裝來(lái)決定，此部分工作是由車輛廠家在整車安裝過(guò)程中來(lái)完成的，同樣可以達(dá)到IP67的防水等級(jí)。

2.5.5電池包的散熱問(wèn)題

電池包的通風(fēng)散熱需要預(yù)留風(fēng)道與通風(fēng)管道，而通風(fēng)管道的設(shè)計(jì)很難達(dá)到較高的防水等級(jí)，故此二者是一對(duì)矛盾。另外，電池包是否需要散熱要由車輛整體的設(shè)計(jì)來(lái)決定，在此設(shè)計(jì)中，根據(jù)車輛控制策略的要求，電池的放電倍率一般在3C以下，并且車輛廠家前期在我國(guó)南方進(jìn)行了半年的運(yùn)行測(cè)試。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為電池包的發(fā)熱并不嚴(yán)重，所以參考客戶的要求，在此方案中不需要設(shè)計(jì)散熱風(fēng)道。在后續(xù)車輛運(yùn)行試驗(yàn)中證實(shí)，電池包溫度一直保持在50℃以下，可以滿足車輛運(yùn)行的需要。

3　結(jié)論

隨著國(guó)家對(duì)新能源行業(yè)政策的大力支持，國(guó)內(nèi)外各企業(yè)不斷在新能源汽車方面加大研發(fā)的力度，新能源汽車蓬勃發(fā)展，電動(dòng)汽車的技術(shù)日益成熟，但是目前尚未有統(tǒng)一的制式或標(biāo)準(zhǔn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要按照整車的布局和要求，合理地制定電池包的各項(xiàng)參數(shù)，靈活地確定電池包的位置。根據(jù)車輛上空間的要求可以分區(qū)域設(shè)計(jì)成不同的模塊結(jié)構(gòu)，來(lái)滿足車輛的各項(xiàng)要求。根據(jù)系統(tǒng)的具體情況來(lái)解決好防水密封與通風(fēng)散熱這一對(duì)矛盾，既考慮電池包安裝固定的牢固性，又要考慮后期電池維護(hù)、檢修的便利性。

[1] 李興虎.電動(dòng)汽車概論[M].北京： 北京理工大學(xué)出版社，2005.

[2] 陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京： 北京理工大學(xué)出版社，2002.

[3] 胡驊，宋慧.電動(dòng)汽車[M].北京： 人民交通出版社，2002.

Introduced a physical design of lithium ion battery pack used by BEV. The battery pack is installed in interior of small car with high module mounted below the rear seat and low module mounted below the car pedals. The battery pack is divided into several small modules featuring easy to handle, ready for arrangement and in convenience for installation, connection and testing on the vehicle.

BEV; Lithium-ion Battery Pack; Physical Design

2015年10月

王兵(1969—)，男，主任工程師，主要從事新能源電池及PACK研發(fā)工作，

E-mail： wangbing4@shanghai-electric.com

TM912

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1674-540X(2016)01-037-04