新能源汽车动力电池系统结构设计

  DOI:10. 19392/ j. cnki. 1671-7341. 201725110新能源汽车动力电池系统结构设计虞彬彬华霆(常州)动力技术有限公司 江苏常州 213000摘 要:新能源汽车的快速的提升,使得作为新能源汽车的三大部件之一———动力电池系统非常关注,动力电池系统的机械结构有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,动力电池系统将这样一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 汽车是现代人类必不可少的交通工具之一,随着石油资源的枯竭与地球环境的恶化,世界各国都...

  DOI:10. 19392/ j. cnki. 1671-7341. 201725110新能源汽车动力电池系统结构设计虞彬彬华霆(常州)动力技术有限公司 江苏常州 213000摘 要:新能源汽车的快速的提升,使得作为新能源汽车的三大部件之一动力电池系统非常关注,动力电池系统的机械结构有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,动力电池系统将这样一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 汽车是现代人类必不可少的交通工具之一,随着石油资源的枯竭与地球环境的恶化,世界各国都在全力发展节能、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,我们国家新能源汽车行业已步入快速地发展阶段,技术和市场成熟度逐步的提升、关键零部件配套能力也得到大幅度的提高,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,第一步是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仔细考虑电气安全、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,以利于产品研究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 100/ 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 要求做测试.(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、单位体积内的包含的能量高、循环寿命长、电压应用限制范围宽、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。 选型考虑的重要的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单位体积内的包含的能量。1. 2 模组结构设计由于单体电芯的电压和容量很小,不足以满足要求,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,因此就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;也有设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所组成,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,复合材料通常用模压成型。 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比较高,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。 上盖设计时还应该要考虑强度、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;铝合金底座通常用低压砂型铸造。箱体底座结构设计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标准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。4 2 1机械化工 科技风 2017 年 12 月万方数据