纯电动汽车电池包关键技术及优化方法

2016-05-30何斌成许铀李梓立李杰浩

科技创新导报 2016年16期

何斌成许铀李梓立李杰浩

摘要：电池包是电动汽车动力的基础，也是电动汽车安全的主要因素。该文通过对动力电池包结构设计、电池管理以及热管理3方面进行了分析，提出了结构化电池包的优化方法，并给出一套基于32650圆柱形的结构化电池包模型，通过静力学仿真以及受力变形实验验证了该优化方法的有效性。

关键词：电池包结构化优化设计

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：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

电动汽车产业迅猛发展，已成为不可逆的趋势[1-3]。其中，电池是电动汽车动力的基础。电池包是电池的载体，负责电池的安全管理、连接与排列、整体固定等功能；电池包结构设计的好坏，不仅影响着整车的安全使用以及维护，同时也影响着电池包生产、拆卸及安装。纵观目前国内外电动汽车电池包系统，主要可以分为两大类：（1）电池箱类型[4]，该类型主要是根据整车结构，设计一套与整车结构相应的箱体，并将电池放置于该箱体内，使得电池能固定于电池箱内，同时实现电池性能的监控及管理等功能。（2）整车结构兼容类型[5]，该类型考虑电池不占用整车空间，直接将整车某些结构部分直接作为电池方式的方向。

为适应电池包系统的规模化生产，方便设计以及使用维护，该项目针对广大电池包特点，提出结构化电池包的思路，并以此思路在系统层面上对电池包进行优化设计，以32650电池为原型给出基于管柱型电池包的模型，并通过静态和受力分析验证所提模型的有效性。

1 电池包设计基本思路

1.1 电池包系统基本特点

电池包系统是根据整车动力特点，选取特定电池，并根据其外形尺寸，采用一定的方式，通过排列组合形式将电池进行组合；除此，还配备有电池电压、温度、电流的检测以及电池安全控制的接口[6]。

考虑规模化设计及生产，使电动汽车能更加安全、高效、方便地设计和使用，电池包应当具备以下特点。

（1）具备高性能的故障诊断和保护能力，在电池出现问题的时候能及时进行保护及报警。意在当电池包发生故障时，其内部及外部能自动切断主电源连接，保证故障电池与其他电池实现物理隔离；同时，能实现电池数据的实时采集，方便维护人员对电池性能进行监测和评估。

（2）结构安全性高，在特殊情况下（如撞击、跌落、切割等），电池包在外部受损的情况下，内部结构也必须具备一定的防护和强度性能，以求内部电池受外界损伤的影响降到最小。

（3）电池安装及更换快捷，在生产及后续维护过程中[7-8]，易于组装和拆卸，方便维护人员工作。

（4）模块化程度高，空间结构兼容性强；能根据不同的使用空间，快速地进行电池包设计，方便设计人员针对不同车型能快速地实现电池包设计。

（5）电池包总质量轻量化，对提高整车续驶里程有一定的积极意义。

1.2 电池包系统基本设计要求

根据上述特点，要求电池包系统在设计时必须满足以下几点。

（1）系统安全性高。电池包的结构强度要强，能满足在特殊情况下，电池包具有一定的抗冲击力及结构强度，保证在强烈冲击下，单体电池具备一定的抗冲击能力，同时电池包结构的变形小，单体电池破坏少。

（2）能做到单体隔离。当某一单体电池受损时，能自动切断该单体电池与其他电池之间的连接，这样可以防止由于该电池本身的问题而蔓延到其他电池。

（3）能具备一定温度管理及控制的能力。众所周知，目前现有电池的理想使用温度为10 ℃～45 ℃之间，这要求电池包系统中恰当地添加散热和加热装置保护电池，确保电池有最佳的充放电状态。

（4）具备灵活的串并联组合方式；电动汽车用电池必须通过单纯串联、或者先并联后串联、或者先串联或者并联的方式进行组合。这涉及到单体电池之间的连接问题，如何安全、快速、稳定地实现单体电池连接，是目前众多电池包生产商一直在思考的问题。

（5）针对不同车型，能适应不同的应用空间，易设计及组装。目前电池包的设计，多是跟随车辆空间以及结构限制，使得电池包设计呈现分散化、结构特殊性强等特点，这些特点将不利于电池包的进一步发展，应该鼓励往设计结构化、强度成熟化等方面发展。

1.3 电池包系统设计基本思路

根据上述需求，在电池包设计时，需满足以下需求。

（1）针对某一类型电池，能根据其尺寸确定包括电池连接件、电池信息采集件以及电池外部保护件的最小结构单元。

（2）考虑电池不同连接方式，该最小结构能满足电池的串并联问题，以发挥最小结构单元的能源特性。

（3）电池包与电池管理系统紧密结合，电池管理系统与最小结构单元紧密结合。

（4）具备良好的散热和加热借口[4，9]，可实现不同温度状态下的监测和电池保护。

2 结构化电池包模型

根据上述电池包设计思路，该文设计的电池包主要包括以下几方面的关键技术：（1）电池选型及电池连接情况。（2）电池外部包括壳设计。（3）电池管理系统结构优化设计。

目前动力电池按其外形可分为3类：（1）方块电池，其体积、容量较大，能量密度较高，一般仅通过串联即可完成整个电池包的连接。相比其他类型电池，在整车上使用数量相对较少，管理也相对方便，可以监测到每个电池。但其中某一电池损坏将影响整体；同时其体积较大的特点直接导致电池包空间结构会受到较大的制约。（2）圆柱形电池，其体积、容量较小，一般通过并联和串联相结合的方式完成整车电池包的连接。基于这种电池设计的电池包可塑性较强。由于电池采用串并联组合，某一电池的损坏对整体影响不大。但柱形电池在整车上数量多，通常采用模块化对电池管理（如以每一并联组合作为一模块）。（3）软包电池，其比能量大，可通过串并联、或者单纯串联的方式完成整车电池包连接。但由于其本身特点对极柱连接的稳固性、软包外部安全保护的要求比较高，相比方形电池和圆柱形电池，其电池包设计思路会更加复杂。

综上所述，该文采用圆柱形电池作为设计对象，并以32650电池作为设计模型（图1（a））。该电池头尾分别配置螺丝和螺母，可以实现首尾相拧串联连接。考虑实现电池并联以及数据采集，该文设计了电池支架（图1（b））放置于电池和电池之间。

为实现电池外部有比较可靠的保护以及通风状况良好，该文设计一套基于管柱结构的电池外保护壳体（图2（a））。

该保护壳长度带外部凹槽结构，由高分子材料挤压成型（图2（b））。管状体内顺序装填电池和电池支架。电池管内部设置内定向槽，安装过程中电池支架通过内定向槽实现安装方向及位置固定。将已装填电池和电池支架的电池管单元按水平和竖直方向依次并排形成电池管阵列（图3）。

为保证管柱电池之间能够相互固定，并且起到并联或者电压采集作用，该文设计了可嵌在相邻电池管单元外凹槽之间的固定条、并联条及数据采集条（图4）。

电池阵列的外围用锁紧带将电池阵列捆绑成一整体，电池阵列端部设置有并联极板及绝缘端罩，形成一个带内部纵向空间通道的结构化电池包（图5）。

3 实验研究

为验证该文结构的可靠性，现在Ansys Workbench 15.0对该结构化电池包进行静态仿真。

目前，电池管柱的基本参数如表1所示。

现以9×10串电池作为电池包结构，排成3×3阵列，其总重量为35 kg，电池包固定箍螺栓孔面积为75.36 mm2。通过静态受力分析，其结果如图6、图7、图8所示。

通过分析可得在自身重量惯性作用下，该电池包所受各参数如表2所示。

通过比较可知，电池包所受到的压强远小于PVC管柱的最大抗压和抗弯曲强度，在静态受力分析方面强度满足要求。

4 结语