新能源汽车动力电池系统结构设计

新能源汽车动力电池系统结构设计

发表时间：2019-09-19T14:43:35.027Z 来源：《中国西部科技》2019年第12期作者：王宗家

[导读] 随着绿色发展理念和可持续发展理念的深入人心，社会各领域的发展都在朝着节能环保方向转型。汽车作为人类的重要交通工具，对其新能源技术的研究至关重要，尤其是其动力电池系统的设计，更是技术重点。本文对新能源汽车动力电池系统进行了概述，并以系统中的电芯模组的结构设计为重点做了简要分析。

王宗家

深圳市科达利实业股份有限公司

摘要：随着绿色发展理念和可持续发展理念的深入人心，社会各领域的发展都在朝着节能环保方向转型。汽车作为人类的重要交通工具，对其新能源技术的研究至关重要，尤其是其动力电池系统的设计，更是技术重点。本文对新能源汽车动力电池系统进行了概述，并以系统中的电芯模组的结构设计为重点做了简要分析。

关键词：新能源；汽车电池；系统结构

一、新能源汽车动力电池系统概述

现阶段，新能源汽车主要以电能作为能源，动力电池系统是新能源汽车的核心部件，负责为车辆的行驶提供动力。因此，考虑到汽车这种交通工具的特殊性，我们在对动力电池系统结构进行设计时，要充分考虑到电气安全、化学安全、防火防爆以及防水防尘等各方面内容。因此，动力电池系统结构的设计应满足以下几方面要求：

1. 机械结构设计方面要满足通用要求，依据整车坐标系进行设计与开发，使产品开发过程中的数据校准核对更为方便。

2. 满足一定的机械振动和冲击要求。在设计过程中应根据GBT242

3.43的要求将测试对象在Z轴方向进行3次冲击，并在后续两小时中持续观察电池包或系统是否有泄漏、外壳破裂和着火爆炸等不良现象。同时还要保证试验后的绝缘阻值在10092以上。

3. 满足一定的机械强度和刚度。电池系统各部分要在极限工况条件下保证安装与加强部位不会出现疲劳失效从而造成内部结构的破坏与失灵。

4. 满足碰撞测试要求。要依据GB/T31467.3T2015要求通过将测试对象水平安装于带有支架的台车上进行碰撞测试，保证电池系统在一定碰撞强度中不会出现问题。

5. 满足积压测试要求。保证电池系统在X和Y轴方向上分别用3mn的半圆主体以100KN的里对其进行积压，在变形量达到积压方向整体尺寸的30%时不出现任何着火和爆炸等现象。

6. 电池系统的密封防护应符合IV67要求。

7. 具备一定的底部抗石击、抗球击与抗穿刺性能。

8. 具备防腐和防爆性能。

9. 在满足上述要求的同时尽可能使整个系统轻量化。

新能源汽车的动力电池系统由电芯组部分、电池管理与线束部分、箱体部分、高压电器与电连接部分、冷却与加热的热管理部分等零部件构成，整体结构十分复杂，同时涉及多项领域的学科内容和专业知识，对相关技术要求较高，尤其在其安全性能方面，更需要设计者以科学严谨的态度对待，不断提高其设计的科学合理性，尽可能提高电池系统的安全性。

二、电芯模组结构设计分析

（一）电芯类型的选择

目前新能源电动汽车的电池主要是锂电子电池，这种电池在工作电压、能量密度、电压使用范围、循环寿命等方面都有着出色的表现，是各大汽车制造商的首先类型。现阶段用于新能源汽车的锂电子电池有圆形、方形以及软包三种外形，而对于电芯的选型则需要对单体电芯长的技术实力、生产能力、电芯的安全性能、整包的能量密度和电池系统的包络空间等各方面进行综合考量，从而根据生产需要选择合适电芯。

（二）模组结构设计

由于单个电芯在容量、电压等参数上无法满足汽车的动力要求，这时候就需要对模组进行设计。模组即是将多个单体电芯通过串联或并联组合在一起，从而达到整车设计时所要求的技术参数，以满足汽车的动力要求。但由于电芯的型号规格、形状、材料、化学和安全性能等千差万别，企业的生产效率和设备也各不相同，就导致模组的设计存在多种可能。但总体来说，模组的结构设计需要满足一定的要求。在安全性方面，模组要能确保在受到机械振动冲击、挤压、穿刺、放电膨胀、电芯冲时不出现问题，造成安全隐患；在电气方面要满足电气绝缘、防触摸、爬坡距离、短路、过放电和过冲等要求；在热管理上要满足导热散热的要求；在生产工艺与成本上要尽可能降低成本，提高生产效率，减轻电池重量。

根据模组的外形不同可分为以下三种模组结构：

1.圆柱形模组结构设计是将电芯两端各装上电芯夹板，电芯夹板上通常有与圆柱电芯较为匹配的圆形沉孔，且圆孔直径略大于电芯，这样便于安装，有助于提高生产效率，但由于自身为圆形，即使有夹板固定，还是会转动，这就需要通过自动点胶机在圆孔内部涂上胶来进行固定。此外，还会在电芯夹板的上下安装一个防火塑料板，其中上面的塑料板用来走线，像采压线、温感线等都通过塑料板上的走线槽引导模组两端。而电芯夹板与防火塑料板除了要用螺丝钉固定外，还要根据模组的大小与具体形状，在电芯中间加入塑料支撑住并用进行螺丝固定，从而进一步加强模组的使用强度，以满足安全方面的要求。

2.方形电芯模组的结构设计有两种形式。一种是利用外围框架对电芯进行固定，首先要将多个电芯通过外压力固定起来，再用胶水或其他具有粘性的材料将其粘接在外框上，这种固定方式较为常用。另一种则与圆柱形电芯模组相似，也是通过夹芯板和塑料板将电芯夹在中间形成一个整体，再用螺丝进行固定。

3.软包电芯模组的结构设计在结构上与方形电芯模组类似，是利用铝塑膜代替方形电芯的外壳，在设计上相当于方形电芯模组的简化版。但由于铝塑膜本身较软，这就使软包电芯在刚度与强度上存在不足，容易在冲放电时产生膨胀，因此在设计时需要为电芯之间流出必要的空隙，在用外框对其进行粘接固定。还有的是在软包电芯外再加一个保护壳，从而形成一种简化的方形电芯再成组。

（三）箱体结构设计

箱体通常由箱体上盖与箱体底座两个部分组成。两部分之间通过螺丝进行连接，为了达到防水防尘的效果，还需要在两者的结合面中间加入密封圈。

1.箱体上盖结构设计。目前箱体上盖多采用铝质、钣金以及符合材料。钣金与铝质的上盖在加工工艺上分为折弯再拼焊和一体冲压成型两种。而符合材料多采用模压成型。铝质和钣金的上盖可以通过直接弯折拼焊进行加工，便于外形更改，且不需要开模，投入较小，因此多用于前期样品的制作，缺点是价格较贵导致加工成本高。复合材料的上盖由于产品成本较低且重量更轻，多用于批量生产。同时放火、强度和防热冲击等也是上盖设计时要考虑的。

2.箱体底座结构设计。箱体底座在动力电池系统中起着承重作用，因此设计更为复杂。目前箱体底座多采用铝合金和钣金材料。铝合金材料底座多使用低压砂型铸造的加工工艺，而钣金底座多采用弯折再拼接和冲压成型加电焊这两种工艺。在底座设计时，防腐蚀、机械强度、密封性、防石击、轻量化以及定位和固定点耐振动挤压的纵横梁设计是箱底底座设计时要考虑的。

结束语：新能源电动汽车的发展离不开其动力系统技术的不断研究与提升，这需要我们继续加强对动力电池系统内各组件的设计工作的探索，不仅要对动力电池系统进行更加科学合理的设计，更要保障系统的各方面性能指标，以更好的推动新能源汽车产业的发展。参考文献

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