新能源汽车动力电池系统结构设计

虞彬彬

摘 要：新能源汽车的飞速发展，使得作为新能源汽车的三大部件之一——动力电池系统备受关注，动力电池系统的机械结构区别于传统的机械结构，不仅与机械工程、工程力学相关，还与电化学、热力学、电磁学等有关，动力电池系统将这些方面的零部件有机的结合在一起，为新能源汽车提供动力。

关键词：新能源；动力电池系统；结构设计

汽车是现代人类不可缺少的交通工具之一，随着石油资源的枯竭与地球环境的恶化，世界各国都在大力发展节能、无污染和噪音低的新能源汽车。近年来，在国家政策的大力扶持下，我国新能源汽车行业已经步入高速发展阶段，技术和市场成熟度不断提高、关键零部件配套能力也得到大幅提升，行业整体发展繁荣。

动力电池系统作为一个独立的零部件安装在电动汽车上，为整车提供动力。在进行结构设计时，首先需要满足基本功能和机械安全；当前主流的电动汽车使用的锂电池作为动力电池，在设计过程中还需要考虑电气安全、化学安全、电磁兼容、防火防爆、防水防尘等等。

动力电池系统结构的总体设计需要满足以下要求：

（1）机械结构设计的通用要求。

基于整车坐标系进行开发，以利于产品开发过程中的数据校核。

（2）机械强度和刚度。

安装和加强部位防止出现疲劳失效，在极限工况条件下，电池系统各部分不得发生破坏和失效。

（3）机械振动和冲击。

测试对象按GB/T 2423.43的要求，在z轴方向冲击3次，观察2h，要求电池包或系统无泄漏、外壳破裂、着火或爆炸等现象。试验后的绝缘电阻值不小于100Ω /V。

（4）碰撞。

将测试对象水平安装在带有支架的台车上，按GB/T31467.3T2015要求进行测试.

（5）挤压。

在X和Y方向分别用半径75mm的半圆柱体，挤压力达到100 kN或挤压变形量达到挤压方向的整体尺寸的30%时停止挤压，电池包或系统无着火、爆炸等现象。

（6）密封防护需要满足IP67要求。

（7）底部抗石击、球击和穿刺性能。

（8）防腐、防爆性能。

（9）外部标识清晰。

（10）在满足以上要求时尽量轻量化设计。

动力电池系统是由很多的零部件组成，包括电芯模组部分、箱体部分、电池管理及线束部分、高压电气及电连接部分、加热及冷却的热管理部分等。其中电池管理及线束部分、高压电气及电连接部分、加热及冷却的热管理部分由于涉及到电子、电气及热力学等较强的专业方面的知识，本文不做详细的讨论。

1 电芯模组结构设计

1.1 电芯的选型

锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长、电压使用范围宽、无记忆效应等优点，是各大整车厂首选的动力电池类型。目前单体锂离子电池外形基本有三种圆形、方形和软包。选型考虑的主要因素有单体电芯厂的技术能力及产能、单体电芯的安全性、整车电池系统的包络空间及成组后的整包的能量密度。

1.2 模组结构设计

由于单体电芯的电压和容量很小，无法满足要求，模组的作用是按照整车系统的要求将多个单体电芯串、并联在一起，从而电压和容量都能达到设计之初的要求，在动力电池系统起到承上启下的作用。但是受电芯的规格型号、材料、形状、安全及化学性能，箱体的外形包络，企业的生产设备、生产效率及成本等诸多影响，模组的形状和大小是多种多样。

（1）模组结构设计需要满足这些要求；机械安全要满足机械振动冲击、挤压、穿刺、电芯冲、放电时的膨胀、机械连接可靠；电气要求满足电气绝缘、爬电距离、防触摸、短路、过冲、过放电等；热管理要求满足导热散热、热失稳防护；工艺和成本要求满足工艺可行性、生产效率高、成本低、重量轻等要求。

（2）圆柱电芯模组结构设计，在电芯的两端各有一块防火塑料板，称为电芯夹板，电芯夹板上加工有与圆柱电芯相匹配的圆形沉孔，圆形沉孔的直径一般比电芯的直径大0.3mm，这样便于安装，可提高生产效率；由于圆形电芯形状的原因，虽然电芯两端有电芯夹板固定，但它自身还是会转动，因此需要用自动点胶机在圆孔的内部涂胶，将电芯粘接固定；电芯夹板的上下端各有一块防火塑料板，用螺钉将这四块板固定为一个整体，其中上面一块塑料板上加工一些走线槽，通过走线槽将模组中的采压线和温感线引到模组两端；根据模组的大小和形状，在电芯间隙中加一些塑料支撑柱，用螺钉固定在电芯夹板上，来加强模组以满足强度要求。

（3）方形电芯模组结构设计，方形电芯模组大多使用外围框架将电芯固定，将多个电芯使用胶水或带粘性的材料，通过外压力先固定起来再用胶水或带粘性的材料固定到外框上；还有一种方式与圆柱电芯模组类似，也是用四块塑料板通过螺钉固定为一个整体，将电芯夹在中间组成整个模组。

（4）软包电芯模组结构设计，软包电芯在结构上可以看作是方形电芯的简化，它使用铝塑膜替代方形电芯的外壳，软包电芯模组结构设计与方形电芯模组设计类似，由于软包电芯自身的强度和刚度较差，冲放电时易膨胀，两个电芯间留有一定的距离，将电芯放入外框中再用粘性的材料固定到外框上；也有設计在软包电芯外面加一种保护外壳，成为一个简化的方形电芯再成组。

2 箱体结构设计

箱体一般由两部分组成，箱体上盖和箱体底座，箱体上盖和底座通过螺钉连接，结合面中间加有密封圈达到防水防尘作用。

（1）箱体上盖结构设计。当前箱体上盖的材质一般有钣金、铝材质和复合材料。钣金和铝材质的上盖一般有两种加工工艺：一种是折弯再拼焊，一种是一体冲压成型，复合材料一般使用模压成型。钣金和铝材质的上盖前期样品时使用较多，加工时可以直接折弯拼焊，不需要模具，前期投入少，外形更改方便但产品加工成本较高，价格较贵；复合材料上盖一般批量生产时用的较多，产品单价便宜且重量轻。上盖设计时还要考虑强度、防火和防热冲击等。

（2）箱体底座结构设计。箱体底座是电池系统的承重部件，设计时较上盖复杂，当前箱体底座的材质一般有钣金和铝合金，钣金底座一般有两种加工工艺：一种是折弯再拼焊，一种是一体冲压成型加点焊；铝合金底座一般使用低压砂型铸造。箱体底座结构设计需要关注的有机械强度、防腐蚀、防石击、密封防水、轻量化、定位和固定点及内部满足挤压振动及固定模组等的横、纵梁设计。

3 结论

（1）根据不同的箱体包络及电芯型号设计符合要求的模组和箱体底座。

（2）动力电池系统结构的总体设计需要满足以下要求机械强度和刚度、电气安全等各方面的要求。