探析純電動(dòng)汽車電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特性

韓南南 王昌權(quán)

摘要：當(dāng)前純電動(dòng)汽車一般均采用鋰電池作為電池單體，它被設(shè)計(jì)于動(dòng)力電池包中，發(fā)揮了重要的汽車動(dòng)力支持作用。實(shí)際上，純電動(dòng)汽車電池包在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遵循多層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，因此本文中就希望研究電池包的成組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)特性。

關(guān)鍵詞：電池包;成組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);力學(xué)特性;純電動(dòng)汽車

電池包屬于大容量電池單體，它的工藝相當(dāng)復(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面追求構(gòu)建獨(dú)立電源系統(tǒng)，利用小容量電芯串聯(lián)或并聯(lián)組合形成完整電池包結(jié)構(gòu)，如此可滿足電動(dòng)汽車的實(shí)際運(yùn)行需求。

1、電池包的基本結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

電池包的基本結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)包含了電池串并聯(lián)兩種方式，基于電池單體的連接方式會(huì)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(lián)模型在單體故障發(fā)生概率方面是相同的，而其中的電池包單體也相互獨(dú)立。就以串并聯(lián)數(shù)學(xué)模型為例，它可考慮建立以下數(shù)學(xué)模型[1]。在數(shù)學(xué)模型中，要分析系統(tǒng)可靠度，建立集合，客觀表示第i個(gè)單元的可靠度，而數(shù)學(xué)模型中m表示了并聯(lián)電池?cái)?shù)，n表示了串聯(lián)的電池?cái)?shù)。結(jié)合上述計(jì)算，可分析串并聯(lián)模塊中單個(gè)電池的損壞度，避免其影響其它電池單元的工作狀態(tài)?？紤]到電池模塊的容量會(huì)明顯下降，因此需要做到設(shè)計(jì)合理，保證通過串并聯(lián)電池模塊有效提高電池組運(yùn)行安全可靠性，同時(shí)它對(duì)電池電壓均衡也具有相當(dāng)促進(jìn)作用。

在對(duì)比不同串并聯(lián)方式基礎(chǔ)之上，應(yīng)該考慮先并聯(lián)后串聯(lián)的電池組，它的安全可靠性表現(xiàn)更好，且在電池電壓一致性表現(xiàn)上，BMS計(jì)算成本方面都是具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)的?？刹捎孟炔⒙?lián)后串聯(lián)的方式，得出以下電池包基本結(jié)構(gòu)框架。

如上所述，電池包所采用的是分層設(shè)計(jì)模式，其中每18塊電池單體并聯(lián)形成一套完整的電池模塊，結(jié)合電池包電壓需求進(jìn)行組合，再串聯(lián)得出24個(gè)電池模塊。電池模塊的運(yùn)行穩(wěn)定性相當(dāng)之高，但是在設(shè)計(jì)過程中也要充分考量電池模塊的絕緣性與對(duì)電池模塊的穩(wěn)定固定。在設(shè)計(jì)電池包結(jié)構(gòu)框架時(shí)，需要合理選擇其電池單體布置方式，因?yàn)殡姵啬K尺寸與電池單元排布關(guān)系相對(duì)偏大，所以可采用并行排列與錯(cuò)位排列兩種方式。不過，錯(cuò)位排列會(huì)導(dǎo)致電池模塊溫差均勻性表現(xiàn)較差，所以從散熱與固定位置兩點(diǎn)考慮，還應(yīng)該選擇并行排列方式最為合理[2]。

2、電池包結(jié)構(gòu)的成組設(shè)計(jì)分析

電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循成組設(shè)計(jì)模式原則，這是因?yàn)樵诩冸妱?dòng)汽車動(dòng)力電池包中包含了多個(gè)電池模塊的，電池模塊在合理布局后可保證電池包整體運(yùn)行安全性。在進(jìn)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(tǒng)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(dòng)汽車的動(dòng)力電池包中應(yīng)該排列了24個(gè)電池模塊，其中每6個(gè)電池模塊固定在一起組成一個(gè)小電池組，4排電池組并排排列組成一個(gè)大電池組。

電池包結(jié)構(gòu)的成組設(shè)計(jì)中應(yīng)該包括電池組固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、線束與電氣接口設(shè)計(jì)等等。下文專門介紹了它的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

電池包冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從選擇散熱結(jié)構(gòu)展開的，散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣會(huì)直接影響到電池性能。因此，在針對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行電池包選擇過程中應(yīng)該做到因地制宜，合理設(shè)計(jì)其散熱結(jié)構(gòu)與冷卻結(jié)構(gòu)。以冷卻結(jié)構(gòu)為例，它的冷卻設(shè)計(jì)方式主要包含了液冷、空氣冷（風(fēng)冷）、相變材料冷以及散熱管冷等等。相比于多種冷卻設(shè)計(jì)方式，空氣冷最為合理，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、成本更低，下文選擇為電池包設(shè)計(jì)強(qiáng)制風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)。強(qiáng)制風(fēng)冷設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍較廣泛，風(fēng)冷成本偏低，但是在設(shè)計(jì)過程中也必須慎重考慮其串行風(fēng)冷不均勻，冷卻效果有限等等缺點(diǎn)。這種冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然成本低廉，但是在高溫、高電流環(huán)境下容易出現(xiàn)散熱時(shí)空問題。目前比較常見的風(fēng)冷通風(fēng)方式包括了并行風(fēng)冷與串行風(fēng)冷，其中并行風(fēng)冷設(shè)計(jì)可保證電池單元溫差偏小，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面相比于串行風(fēng)冷更為復(fù)雜。考慮到動(dòng)力電池包在縱向長度方面嚴(yán)重不足，對(duì)流強(qiáng)度偏大，所以電池模塊在溫差表現(xiàn)上并不明顯，因此選用串行風(fēng)冷設(shè)計(jì)方式更為合理。具體到設(shè)計(jì)方面，應(yīng)該在電池包左側(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)氣口，右側(cè)箱壁位置安裝一排排風(fēng)扇，確保氣流能夠順利通過進(jìn)氣口，直接流入到電池單體縫隙中，最后經(jīng)過散熱風(fēng)機(jī)排放到電池包以外位置。在排風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方面要確保風(fēng)扇排氣均勻，同時(shí)計(jì)算排風(fēng)口風(fēng)速[3]。

3、電池包結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性研究

在完成純電動(dòng)汽車的電池包結(jié)構(gòu)框架成組設(shè)計(jì)后，要對(duì)電池包結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，以下簡單研究兩點(diǎn)。

3.1對(duì)極限工況背景下電池包強(qiáng)度的校核

電池包強(qiáng)度屬于電池包結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的重要指標(biāo)，在純電動(dòng)汽車行駛過程中，動(dòng)力電池箱不會(huì)直接承受工作荷載，因?yàn)殡姵叵鋬?nèi)部會(huì)受到外部汽車顛簸、轉(zhuǎn)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(fù)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(dāng)重要的。結(jié)合國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，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(zhuǎn)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(huì)發(fā)現(xiàn)，載荷是不會(huì)呈現(xiàn)在電池模塊之上的，它在模擬電池模塊過程中會(huì)對(duì)電池箱體與電池支架作用力進(jìn)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(duì)電池包最大應(yīng)力值進(jìn)行分析。一般來說，應(yīng)該在左側(cè)電池組安裝孔處進(jìn)行分析，保證其材料許用應(yīng)力值設(shè)置到位。

再分析電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)彎過程，電池包承受的最大應(yīng)力值將會(huì)上升，再通過極限工況分析電池包應(yīng)力云圖能夠發(fā)現(xiàn)，電池箱體應(yīng)該在兩種極限工況下呈現(xiàn)兩大應(yīng)力值，但兩大應(yīng)力值應(yīng)該都小于材料許用應(yīng)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(duì)箱體的沖擊力[4]。

3.2對(duì)動(dòng)力電池包模態(tài)特性的分析

其次要對(duì)動(dòng)力電池包的模態(tài)特性的分析，它的主要檢驗(yàn)?zāi)康闹饕菣z驗(yàn)電池包固有模態(tài)，分析錯(cuò)開載荷激勵(lì)頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)第一階模態(tài)頻率進(jìn)行提高。在汽車行駛過程中，要分析動(dòng)力電池模態(tài)特性的激勵(lì)源，具體如下：

當(dāng)汽車在行駛過程中，如果車速≤150km/h，車輪會(huì)由于不平衡引發(fā)劇烈激振頻率，其頻率會(huì)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(dòng)，如此可有效提高箱蓋剛度。在設(shè)計(jì)中可合理設(shè)計(jì)分析電池箱體在每階段的固有頻率，保證其固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車輪不平衡激振頻率，如此分析動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)是具有一定科學(xué)合理性的[5]。

總結(jié)

綜上所述，在純電動(dòng)汽車中對(duì)電池包的設(shè)計(jì)涉及諸多技術(shù)內(nèi)容，本文中簡單對(duì)其結(jié)構(gòu)成組設(shè)計(jì)與動(dòng)力表現(xiàn)特性進(jìn)行了簡單剖析，了解了電池包的設(shè)計(jì)要求，證明其設(shè)計(jì)是具有較高的能量比與較小體積的，它能夠滿足純電動(dòng)汽車的使用要求。而在未來還需進(jìn)一步優(yōu)化電池包設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，減小電池包體積，降低其整體質(zhì)量。最后也希望借此機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包設(shè)計(jì)改進(jìn)，持續(xù)提高純電動(dòng)汽車整體運(yùn)行性能，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化調(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

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