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

薛永红,张青

天津力神电池股份有限公司  天津市 300000

摘要：在改善环境和能源问题成为重要使命的时代背景下，低碳环保、节能减排理念的提出和落地实施，促使新能源产业应运而生并得到快速发展，与此同时，在国家相关政策的推广和支持下，新能源汽车迅速普及开来，新能源汽车由多个不同部件构成，其中动力电池系统可以说是新能源汽车的动力源泉，因此为了更好的促进新能源汽车产业发展，需要对新能源汽车动力电池系统进行深入研究，而下面的文章，主要是探讨新能源汽车动力电池系统结构设计。

关键词：新能源汽车；动力电池系统；结构设计

引言

现如今民众生活水平持续提升，机动车使用量不断增加，汽车尾气的大量排放，促使本就脆弱的大气环境更是雪上加霜，为了最大限度的改善大气环境污染问题，国家有关部门鼓励和号召社会各界加强清洁型可再生新能源的开发和利用，新能源汽车作为一种清洁型能源利用的新产物，逐渐走进大众视野。尤其在“双碳”背景下，构建绿色交通体系，越来越多企业进军新能源领域。在新能源汽车的开发方面，动力电池系统性能始终是相关技术人员考虑的重要问题，由于动力电池系统设计的合理性及其质量的可靠性，直接决定着新能源汽车的实际性能和使用寿命。

1动力电池系统设计要求

电池单体、电池模组、电池管理系统、热管理系统、高压电路控制系统、高低压线束及电池箱体等，都是动力电池系统的重要组成部件。新能源汽车的机械结构与传统燃油车的机械结构有很大区别,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。相关技术人员要根据整车能量密度、热均匀性等性能要求进行结构设计，还需满足机械安全、电气安全、防护安全及热扩散安全等。通常来说，电池系统机械结构设计有以下几点注意事项。

（1）尺寸匹配车载要求。电池系统整体外形尺寸能够完全与车载要求相匹配，方便安装拆卸以及维修工作。

（2）结构设计合理紧凑。在有限空间内，布置更多电量，有利于提升整车电量，从而获得更大续驶里程。

（3）符合国标强检要求。电池系统结构需具有足够的强度和刚度，满足GB 38031-2020各项测试要求，不得出现泄漏、外壳破裂、着火或爆炸等现象。

（4）优化热管理策略。要优化冷却和加热系统，让电池系统能够在一个比较大的温度范围内保持正常工作。 

2动力电池系统总体结构

2.1电池单体选型

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，选择合适的电池进行匹配。通常我们说得最多的动力电池主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池（三元镍钴锰），二者各有优缺点，具体见表1所示。磷酸铁锂电池一般用于商用车等，三元锂电池一般用于乘用车等。

表1  磷酸铁锂电池和三元锂电池优缺点

2.2电池模组设计

电池模组可以理解为电池单体经串并联方式组合，加装电压和温度监控装置及外壳后，能够直接提供电能的组合体。其结构必须对电芯起到支撑、固定和保护作用，要求连接片与电池的极柱接触电阻小、抗振动、牢靠程度高。是否能够完好固定电芯位置并保护其不发生有损性能的形变，如何满足载流性能要求，如何满足对电芯温度的控制，遇到严重异常时能否断电，能否避免热失控的传播等等，都将是评判电池模组优劣的标准。

2.3电池管理系统设计

电池管理系统（BMS），即Battery Management System，通过检测电池组中各单体电池的状态来确定整个电池系统的状态，并根据它们的状态对动力电池系统进行对应的控制调整和策略实施，实现对动力电池系统及各单体的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。电池管理系统的基本功能可以分为检测、管理、保护三方面。具体来看，包括数据采集、状态监测、均衡控制、热管理、安全保护、信息管理等功能。

2.4热管理系统设计

电池热管理系统是从使用角度出发，用来确保电池系统工作在适宜温度范围内的一套管理系统,主要由电池箱、传热介质、监测设备等部件构成。电池热管理系统有如下几项主要功能:(1)电池温度的准确测量和监控；(2)电池组温度过高时的有效散热；(3)低温条件下的快速加热,使电池组能够正常工作；(4)保证电池组温度场的均匀分布。当电池温度超出其正常工作温度区间时，必须限功率工作，否则会影响电池的寿命。为了保证电池系统的电性能和寿命，车用动力电池系统一般设计具有热管理系统。

2.5电池箱体设计

电池箱作为电池模块的承载体，对电池模块的安全工作和防护起着关键作用。电池箱的外观设计主要从材质、表面防腐蚀、绝缘处理、产品标识等方面进行。电池箱体的设计目标要满足强度刚度要求和电气设备外壳防护等级IP67设计要求并且提供碰撞保护，箱内电池模块固定在底板上，线束走向合理、美观且固定可靠。设计的通用要求要满足相关标准，比如QC/T 989-2014。

3动力电池系统轻量化设计

3.1选用高比能动力电池单体

动力电池单体性能不仅关系到整包性能,而且对整包成组效率、比能量等指标起到关键作用，因此选用高比能动力电池单体，可为电池系统轻量化作出重要贡献，部分厂家电池单体能量密度已达到350Wh/kg以上。

3.2上壳体的轻量化设计

电池包上壳体的轻量化设计关系到电池包总成的重量及能量密度，同时轻量化材料的选择直接影响产品的设计及批量生产。

电池包上壳体主要采用钢板材一体冲压拉伸成型，此形式的产品有强度大且适合大批量生产的优势，但是存在重量大影响电池包总成系统能量密度，更直接影响整车续驶里程以及对产品成型结构设计有较大限制的劣势。

针对钢板材上壳体方案优劣势，开发应用高强度环氧预浸料（PCM）材料进行成型的上壳体，既能解决钢板材上壳体的重量大的问题、又能解决钢板材上壳体对产品成型结构复杂度限制问题，并且适合大批生产应用。

3.3下壳体的轻量化设计

电池包下壳体在电池包总零部件中重量占比大，所以其轻量化设计对电池包总成的重量及能量密度贡献也较大。

电池包下壳体主要采用钢板材一体冲压拉伸成型后焊接而成，产品有强度大且适合大批量生产的优势，但是存在冲压拉伸件不适合平台化扩展开发应用，无法对外形尺寸进行任意加大缩小的调整，最主要的问题是存在重量大影响电池组总成系统能量密度，更直接影响整车续驶里程的劣势。

针对以上钢板材的量产电池包下壳体方案优劣势，开发应用高强铝合金挤压型材焊接而成，该方案可以通过调整铝挤压型材的长度及搭接结构，可以实现电池包的平台化外形尺寸加大缩小的调整，同时解决钢板材下壳体重量大的问题，适合大批生产应用。

表2铝合金型材材料系列及在电池包下壳体上的应用位置

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结束语：总之对于新能源汽车来说，如果动力电池系统能够保证良好运转性能和工作状态，新能源汽车就是一种交通工具，否则就只是一个摆设，而动力电池系统的运转性能和运行状态，往往会受到动力电池系统结构设计的影响和制约，因此相关人员应在深入了解新能源汽车动力电池系统结构设计基本要求的基础上，切实加大新能源汽车动力电池系统结构设计研究。

参考文献

[1] 刘春晖. 北汽E150EV电动汽车动力电池系统的结构与检修[J]. 汽车维修与保养, 2020(7):3.

[2] 杨上东, 赵杰. 电动汽车动力电池系统电气架构及设计[J]. 电子世界, 2018(23):2.

[3] 钱舜田. 电动汽车动力锂电池散热结构设计与冷却系统仿真[D]. 浙江工业大学, 2014.