新能源汽车动力电池系统结构设计

陈勇军

摘 要：基于节能减排理念的提出，以及新能源产业的迅速发展，新能源汽车普及率越来越高，动力电池系统作为新能源汽车的关键组成部件，其工作性能及运行能力将会直接影响汽车使用。为了更好的推广新能源汽车，便需要加大对新能源汽车动力电池系统的研究力度，提高设计水平和设计质量。文章分析了其主要组成，结合设计要求给出了具体的设计方案，希望有所借鉴和启示。

关键词：新能源汽车；动力电池系统；结构设计；具体方案

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）16-0088-02

汽车作为一种最为普遍的现代交通工具之一，为人们的生活带来了諸多便利。但是随着石油资源紧缺现象的日渐突出，以及大气污染的程度的日益加重，都必须大力发展清洁、无污染的新能源汽车，这已经引起了世界各国的广泛关注，成为了当下新能源领域的研究热点。而关于新能源汽车动力电池系统，是其中的一项重要研究内容，与汽车动力有着直接关联，这就需要从多个方面进行综合考虑，保证其结构设计的科学性、合理性、安全性，从而提升新能源汽车整体性能。

1 新能源汽车动力电池系统主要组成

动力电池系统主要由电池模块、电池模块支架、电池箱体、电池管理系统、高压电路控制系统、热管理系统、安全控制模块等几部分组成。（1）电池模块具备电能存储功能，可利用电池模块支架在电池箱中将其固定好，以便在动态的环境中使用。（2）通过电池箱体，可以将整个动力电池系统连接成为一个整体，并作为整个系统的承载体，还可防护外力对其造成破坏。（3）为保证动力电池的安全性、延长其使用寿命，需要借助电池管理系统依据汽车实际运行工况进行相应的电池工作状态调整，保证电池在最佳工作范围中运行。（4）新能源汽车运行时会出现高低温现象，此时便需要通过热管理系统进行温度管控，保证动力电池的稳定运行，其具体功能包括温度监控及报警、加热、冷却、安全辅助控制等。（5）出于新能源汽车安全行驶考虑，为避免外部撞击或者电路短路影响动力电池工作性能，保护驾驶员和车辆安全，动力电池系统中还设置有安全控制模块，以提供被动保护。这些都是新能源汽车动力电池系统的重要组成部件，通过彼此之间的协同合作及稳定工作，保证新能源汽车的安全和有效的运行。

2 新能源汽车动力电池系统结构设计要求

（1）保证系统结构具有较强的强度和刚度，满足GB/T 31467.3-2015各项测试要求，不得出现泄漏、外壳破裂、着火或爆炸等现象。（2）各个机械零部件不得出现疲劳失效现象，尤其是安装和加强部位，并且确保动力电池可以在极限工况下正常使用和运行。（3）保证动力电池系统结构外露底端具有抗石击、球击和穿刺性能。（4）保证动力电池系统有着良好的密封防护性能，满足IP67要求。（5）保证动力电池系统具有良好的防腐、防爆性能。（6）系统的绝缘电阻应大于100Ω/V，带电端子之间的爬电距离满足电工相关安全标准。（7）保证动力电池系统外部安全标识清晰，并做好防呆设计，保证使用安全。（8）保证系统结构件的模块化设计，增强其通用性。（9）考虑系统结构的轻量化设计，提高能量密度。只有在设计新能源汽车动力系统结构时全面考虑各方需求，统筹均衡，才能实现较为理想的设计效果。

3 新能源汽车动力电池系统结构设计方案

在对新能源汽车动力电池系统结构进行设计时，其中的电池管理系统及热管理系统会涉及到电子、电气及热学等专业知识，此次研究主要从电芯模组结构及箱体结构两方面进行分析，现将具体设计方案总结如下。

3.1 电芯模组结构设计

新能源汽车动力电池系统所用到电池类型多种多样，包括锂离子电池、镍氢电池、燃料电池、铅酸电池、超级电容器等。从外观大致分为方形、圆形和软包三种形态，在选择时，应根据电池的性能特点、电池的安全性、动力电池系统空间大小、所能达到的能量密度、用户的使用工况和环境等因素进行综合考虑，确定最为合适的一种。

在设计电芯模组结构时，因为单个电芯的电压及容量都比较小，无法满足新能源汽车动力需求，所以通常采用串联和并联方式，利用结构件将若干电芯组合在一起，以此来提高动力电池系统的电压和容量，满足新能源汽车的动力需求。实际设计过程中，电芯模组的大小及形状存在较大差异，与电芯形状、型号、模组支架结构、组合方式，以及生产工艺路线等因素相关，在机械性能、电气性能、热管理等几个方面，都需满足相应的设计要求。对于机械性能来讲，应确保各个机械部件的可靠连接，满足振动冲击、挤压、穿刺、电芯充、放电时的膨胀等要求；对于电气性能来讲，应具备良好的绝缘性，满足爬电距离、防触摸、短路、过充、过放电等要求；对于热管理来讲，需要确保热量的及时疏导和扩散，并在热失稳情况下可以保护动力电池系统正常运行[1]。除此之外，应运用成熟、完善的生产工艺，在保证生产效率的基础上，尽可能的减轻模组结构重量，提高能量密度。基于锂离子电池形态的不同，在对电芯模组结构进行设计时，应分别展开讨论。首先，当电芯模组结构为方形时，在固定电芯时一般都是使用外围框架，先将电芯放置在相应位置，施加一定的压力，然后再利用胶水、带粘性的材料或者卡扣，在外围框架上将其固定好。除此之外，也可以用四块塑料板夹住电芯，再用螺钉将其固定，构成电芯模组，这种方法类似于圆形电芯模组结构设计方法。其次，当电芯模组结构为圆形时，需将具有防火功能的塑料夹板放置到电芯两头，根据电芯型号的不同，夹板上有与其相匹配的圆形沉孔，为方便安装及电池生产，圆形沉孔直径通常超出电芯直径1mm[2]。另外，即便是在电芯两头将其固定住，但是基于其圆形特点，仍然会出现转动现象，为解决这种问题，还需要对电芯进行固定处理，在圆形沉孔涂抹一层胶水，可借助自动点胶机完成。所用夹板上下两端均有一块表面设置走线槽，用作电压采样线和温感线的连接和排布。同时，为增强电芯模组强度，可用塑料支架填充间隙起到支撑作用，所用支架应根据模组大小和形状确定，并用螺钉或卡扣将其固定在电芯夹板上。最后，当电芯模组结构为软包形状时，可以将其作为方形电芯的简化版，两者设计有着很多的相似之处，但是也存在一些差异。软包电芯模组没有外壳，其外部为铝塑膜，其强度和刚度较差，放电时容易发生膨胀，为避免造成电芯相互挤压，彼此之间应预留一定的空间，卡入到外框中后，可再用粘性的材料将其固定。另外，也可以在软包电芯外部设置保护外壳，具体形态为简化的方形，然后再将多个电芯组合在一起形成模组。

3.2 箱体结构设计

新能源汽车动力电池系统的箱体结构，主要包括上盖和底座两部分，两者之间用螺钉连接形成一个整体，为满足系统结构防水防尘设计要求，箱体上盖与底座的结合面上，设置有密封圈。具体设计时，应分别就箱体上盖结构及箱体底座结构进行单独分析。对于箱体结构的上盖部分来讲，常用的材质主要有鋁材质、钣金、复合材料等几种。如果所用材质为前两种，则可使用两种工艺技术进行加工，可先折弯再拼焊，也可进行一体式冲压成型，如果所用材质为最后一种，一般会采用模板成型加工工艺。铝材质和钣金的箱体上盖，在样品中的使用较多，可脱离模板，直接折弯拼焊进行加工，还能根据实际需求改变外形，但是生产成本及产品价格较高。复合材料的箱体上盖，在批量生产中比较常见，需要用到模板，产品有着质量轻、价格低等优点。另外，在设计箱体上盖结构时，还应对其强度、防火性能、防热冲击性能等进行综合考虑，确保满足相关设计要求。

对于箱体结构的底座部分来讲，在整个动力电池系统中起到了承重作用，其结构设计复杂程度要高于上盖部分。底座常用材质主要有铝材质和钣金两种，加工工艺也分为两种可先折弯再拼焊，也可进行一体式冲压成型，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、定位和固定点强化、内部满足挤压振动、固定模组的横、纵梁设计等。

4 实例分析

为解决现有风冷电池包存在电池高温冷却效果差、不能防水防尘，体积大、成本高等问题，设计一款新型液冷电池包，其结构组成如图1和图2所示。具体设计方案如：

（1）冷却管道采用多路并联结构，保证电池冷却效果一致；（2）电池包采用卡箍固定结构，满足轻量化设计要求；（3）采样板直接固定在卡箍上，减少支架设计，减小安装空间；（4）设计专门的调试仓盖，便于日常维护。该新型液冷电池包有多个创新点，首先，电池包上下端板开有凹槽，固定条卡入凹槽中，电池包整体采用卡箍框架式固定，结构新颖，重量轻。其次，利用卡箍框架侧面固定采样板，结构紧凑，减小采样板空间占用。另外，新型液冷管路系统，采用多路并串分流，保证冷却液流量均匀，同时电池之间的冷却板也依照电池外形弧度做了对应的弯曲设计，整个管路系统也采用流体仿真分析进行了结构优化，样品电池包在道路工况测试中，电池包内部温差可控制在3℃内，达到设计目标。

5 结语

随着新能源汽车行业的兴起，关键零部件的设计与加工，引起了业内人士的广泛关注和重视，同时也影响着该行业的未来发展。动力电池系统是新能源汽车一种尤为重要的零部件，其设计水平及质量直接决定了汽车的动力情况，要想提供充足的动能，确保新能源汽车的稳定、安全运行，必须加大对电池系统结构设计的研究力度。只有在满足各方面设计要求的基础上，不断对系统结构进行改进、优化，才能探索、总结一套更加成熟、完善的设计技术，加快我国新能源汽车行业的发展。

参考文献

[1]虞彬彬.新能源汽车动力电池系统结构设计[J].科技风，2017，（25）：124.

[2]郭强，郑燕萍，孙伟明.新能源汽车动力电池关键技术的研究现状[J].山东工业技术，2018，（4）：46-47.