新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳勇軍

摘 要：基于節(jié)能減排理念的提出，以及新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，新能源汽車普及率越來越高，動(dòng)力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的關(guān)鍵組成部件，其工作性能及運(yùn)行能力將會(huì)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(duì)新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的研究力度，提高設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)質(zhì)量。文章分析了其主要組成，結(jié)合設(shè)計(jì)要求給出了具體的設(shè)計(jì)方案，希望有所借鑒和啟示。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動(dòng)力電池系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；具體方案

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）16-0088-02

汽車作為一種最為普遍的現(xiàn)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(xiàn)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(fā)展清潔、無(wú)污染的新能源汽車，這已經(jīng)引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，成為了當(dāng)下新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。而關(guān)于新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)，是其中的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容，與汽車動(dòng)力有著直接關(guān)聯(lián)，這就需要從多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，保證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)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(dòng)力電池系統(tǒng)主要組成

動(dòng)力電池系統(tǒng)主要由電池模塊、電池模塊支架、電池箱體、電池管理系統(tǒng)、高壓電路控制系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、安全控制模塊等幾部分組成。（1）電池模塊具備電能存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)的環(huán)境中使用。（2）通過電池箱體，可以將整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)連接成為一個(gè)整體，并作為整個(gè)系統(tǒng)的承載體，還可防護(hù)外力對(duì)其造成破壞。（3）為保證動(dòng)力電池的安全性、延長(zhǎng)其使用壽命，需要借助電池管理系統(tǒng)依據(jù)汽車實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行相應(yīng)的電池工作狀態(tài)調(diào)整，保證電池在最佳工作范圍中運(yùn)行。（4）新能源汽車運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)高低溫現(xiàn)象，此時(shí)便需要通過熱管理系統(tǒng)進(jìn)行溫度管控，保證動(dòng)力電池的穩(wěn)定運(yùn)行，其具體功能包括溫度監(jiān)控及報(bào)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(dòng)力電池工作性能，保護(hù)駕駛員和車輛安全，動(dòng)力電池系統(tǒng)中還設(shè)置有安全控制模塊，以提供被動(dòng)保護(hù)。這些都是新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的重要組成部件，通過彼此之間的協(xié)同合作及穩(wěn)定工作，保證新能源汽車的安全和有效的運(yùn)行。

2 新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

（1）保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度，滿足GB/T 31467.3-2015各項(xiàng)測(cè)試要求，不得出現(xiàn)泄漏、外殼破裂、著火或爆炸等現(xiàn)象。（2）各個(gè)機(jī)械零部件不得出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象，尤其是安裝和加強(qiáng)部位，并且確保動(dòng)力電池可以在極限工況下正常使用和運(yùn)行。（3）保證動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外露底端具有抗石擊、球擊和穿刺性能。（4）保證動(dòng)力電池系統(tǒng)有著良好的密封防護(hù)性能，滿足IP67要求。（5）保證動(dòng)力電池系統(tǒng)具有良好的防腐、防爆性能。（6）系統(tǒng)的絕緣電阻應(yīng)大于100Ω/V，帶電端子之間的爬電距離滿足電工相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。（7）保證動(dòng)力電池系統(tǒng)外部安全標(biāo)識(shí)清晰，并做好防呆設(shè)計(jì)，保證使用安全。（8）保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的模塊化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其通用性。（9）考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，提高能量密度。只有在設(shè)計(jì)新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)全面考慮各方需求，統(tǒng)籌均衡，才能實(shí)現(xiàn)較為理想的設(shè)計(jì)效果。

3 新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

在對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其中的電池管理系統(tǒng)及熱管理系統(tǒng)會(huì)涉及到電子、電氣及熱學(xué)等專業(yè)知識(shí)，此次研究主要從電芯模組結(jié)構(gòu)及箱體結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行分析，現(xiàn)將具體設(shè)計(jì)方案總結(jié)如下。

3.1 電芯模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)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(jí)電容器等。從外觀大致分為方形、圓形和軟包三種形態(tài)，在選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)電池的性能特點(diǎn)、電池的安全性、動(dòng)力電池系統(tǒng)空間大小、所能達(dá)到的能量密度、用戶的使用工況和環(huán)境等因素進(jìn)行綜合考慮，確定最為合適的一種。

在設(shè)計(jì)電芯模組結(jié)構(gòu)時(shí)，因?yàn)閱蝹€(gè)電芯的電壓及容量都比較小，無(wú)法滿足新能源汽車動(dòng)力需求，所以通常采用串聯(lián)和并聯(lián)方式，利用結(jié)構(gòu)件將若干電芯組合在一起，以此來提高動(dòng)力電池系統(tǒng)的電壓和容量，滿足新能源汽車的動(dòng)力需求。實(shí)際設(shè)計(jì)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(hào)、模組支架結(jié)構(gòu)、組合方式，以及生產(chǎn)工藝路線等因素相關(guān)，在機(jī)械性能、電氣性能、熱管理等幾個(gè)方面，都需滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于機(jī)械性能來講，應(yīng)確保各個(gè)機(jī)械部件的可靠連接，滿足振動(dòng)沖擊、擠壓、穿刺、電芯充、放電時(shí)的膨脹等要求；對(duì)于電氣性能來講，應(yīng)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(duì)于熱管理來講，需要確保熱量的及時(shí)疏導(dǎo)和擴(kuò)散，并在熱失穩(wěn)情況下可以保護(hù)動(dòng)力電池系統(tǒng)正常運(yùn)行[1]。除此之外，應(yīng)運(yùn)用成熟、完善的生產(chǎn)工藝，在保證生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，盡可能的減輕模組結(jié)構(gòu)重量，提高能量密度?；阡囯x子電池形態(tài)的不同，在對(duì)電芯模組結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分別展開討論。首先，當(dāng)電芯模組結(jié)構(gòu)為方形時(shí)，在固定電芯時(shí)一般都是使用外圍框架，先將電芯放置在相應(yīng)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(gòu)成電芯模組，這種方法類似于圓形電芯模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。其次，當(dāng)電芯模組結(jié)構(gòu)為圓形時(shí)，需將具有防火功能的塑料夾板放置到電芯兩頭，根據(jù)電芯型號(hào)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(chǎn)，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(diǎn)，仍然會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，為解決這種問題，還需要對(duì)電芯進(jìn)行固定處理，在圓形沉孔涂抹一層膠水，可借助自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)完成。所用夾板上下兩端均有一塊表面設(shè)置走線槽，用作電壓采樣線和溫感線的連接和排布。同時(shí)，為增強(qiáng)電芯模組強(qiáng)度，可用塑料支架填充間隙起到支撐作用，所用支架應(yīng)根據(jù)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(dāng)電芯模組結(jié)構(gòu)為軟包形狀時(shí)，可以將其作為方形電芯的簡(jiǎn)化版，兩者設(shè)計(jì)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(qiáng)度和剛度較差，放電時(shí)容易發(fā)生膨脹，為避免造成電芯相互擠壓，彼此之間應(yīng)預(yù)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(shè)置保護(hù)外殼，具體形態(tài)為簡(jiǎn)化的方形，然后再將多個(gè)電芯組合在一起形成模組。

3.2 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的箱體結(jié)構(gòu)，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(gè)整體，為滿足系統(tǒng)結(jié)構(gòu)防水防塵設(shè)計(jì)要求，箱體上蓋與底座的結(jié)合面上，設(shè)置有密封圈。具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分別就箱體上蓋結(jié)構(gòu)及箱體底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)分析。對(duì)于箱體結(jié)構(gòu)的上蓋部分來講，常用的材質(zhì)主要有鋁材質(zhì)、鈑金、復(fù)合材料等幾種。如果所用材質(zhì)為前兩種，則可使用兩種工藝技術(shù)進(jìn)行加工，可先折彎再拼焊，也可進(jìn)行一體式?jīng)_壓成型，如果所用材質(zhì)為最后一種，一般會(huì)采用模板成型加工工藝。鋁材質(zhì)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(jìn)行加工，還能根據(jù)實(shí)際需求改變外形，但是生產(chǎn)成本及產(chǎn)品價(jià)格較高。復(fù)合材料的箱體上蓋，在批量生產(chǎn)中比較常見，需要用到模板，產(chǎn)品有著質(zhì)量輕、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。另外，在設(shè)計(jì)箱體上蓋結(jié)構(gòu)時(shí)，還應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度、防火性能、防熱沖擊性能等進(jìn)行綜合考慮，確保滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于箱體結(jié)構(gòu)的底座部分來講，在整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)中起到了承重作用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度要高于上蓋部分。底座常用材質(zhì)主要有鋁材質(zhì)和鈑金兩種，加工工藝也分為兩種可先折彎再拼焊，也可進(jìn)行一體式?jīng)_壓成型，一般使用低壓砂型鑄造。箱體底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要關(guān)注的有機(jī)械強(qiáng)度、防腐蝕、防石擊、密封防水、輕量化、定位和固定點(diǎn)強(qiáng)化、內(nèi)部滿足擠壓振動(dòng)、固定模組的橫、縱梁設(shè)計(jì)等。

4 實(shí)例分析

為解決現(xiàn)有風(fēng)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(shè)計(jì)一款新型液冷電池包，其結(jié)構(gòu)組成如圖1和圖2所示。具體設(shè)計(jì)方案如：

（1）冷卻管道采用多路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，保證電池冷卻效果一致；（2）電池包采用卡箍固定結(jié)構(gòu)，滿足輕量化設(shè)計(jì)要求；（3）采樣板直接固定在卡箍上，減少支架設(shè)計(jì)，減小安裝空間；（4）設(shè)計(jì)專門的調(diào)試倉(cāng)蓋，便于日常維護(hù)。該新型液冷電池包有多個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，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(jié)構(gòu)新穎，重量輕。其次，利用卡箍框架側(cè)面固定采樣板，結(jié)構(gòu)緊湊，減小采樣板空間占用。另外，新型液冷管路系統(tǒng)，采用多路并串分流，保證冷卻液流量均勻，同時(shí)電池之間的冷卻板也依照電池外形弧度做了對(duì)應(yīng)的彎曲設(shè)計(jì)，整個(gè)管路系統(tǒng)也采用流體仿真分析進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，樣品電池包在道路工況測(cè)試中，電池包內(nèi)部溫差可控制在3℃內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著新能源汽車行業(yè)的興起，關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與加工，引起了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注和重視，同時(shí)也影響著該行業(yè)的未來發(fā)展。動(dòng)力電池系統(tǒng)是新能源汽車一種尤為重要的零部件，其設(shè)計(jì)水平及質(zhì)量直接決定了汽車的動(dòng)力情況，要想提供充足的動(dòng)能，確保新能源汽車的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，必須加大對(duì)電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究力度。只有在滿足各方面設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，不斷對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化，才能探索、總結(jié)一套更加成熟、完善的設(shè)計(jì)技術(shù)，加快我國(guó)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2]郭強(qiáng)，鄭燕萍，孫偉明.新能源汽車動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018，（4）：46-47.