纯电动汽车电池包结构设计及特性研究

纯电动汽车电池包结构设计及特性研究

张海俊

江苏电投易充新能源科技有限公司 江苏南京 210029

摘 要：文章以纯电动汽车电池包结构设计及特性为研究方向，论述电池包结构设计特性及重点的基础上，对电池模块设计、加工及电池包结构设计进行了讨论，旨在为我国纯电动汽车电池包结构设计提供理论指导与帮助。

关键词： 纯电动汽车；电池包；电池包结构；结构特性

1电池包结构设计特征及要点

电池包作为机械和电气结合体因受地面刺激和充电时产生大量热量，在设计纯电动汽车机械结构时必须满足以下几点：

1. 良好绝缘性能。电动车电池箱输出电池通常为336V，超过人体安全电压，因此，在设计时要充分考虑电池、电池盒和汽车绝缘问题；

2. 减震、防撞。汽车在颠簸道路上行驶时要充分考虑电池包在电池箱体中固定，满足汽车振动、侧翻、防撞等基本需求；

3. 散热性能。电池在放电时会产生大量热量，电池箱体设计既要满足电池箱体温度升高，又要保证电池箱体温度差。

4. 在达到上述机构设计需求后，电池包要充分考虑到最终比能。商用电池单位功率可达到240 W/kg，但当电池被串联在一起时，其比能会急剧降低，因此，在电池包设计中，应该把比能量作为最优指标。

2 电池模块设计与加工

电池包由18个NCRl8650PF电池、集流片、电池保持架、导电铜柱、温度传感器等器件构成。在进行电池模块设计时，应充分考虑其绝缘性能，以及电池包安装。

2．1电池单体布置方式选择

电池包分大小与电池包排布有很大关系，而在电池包中，电池包分为平行组和错组。图1为两种配置单元组件区域。错位排列电池包虽然体积较小，但排列不整齐，难以固定，而且在睦彦辉等人实验中对电池温度均匀性进行分析，结果表明，错位排列对电池温度均匀度有很大影响。

2.2集流片设计

集流板主要是为提高电池包载流能力，在设计时应保证49.5 A连续电流。现阶段我国较为常用的为是镀镍钢板。由于采用相同材料铜薄板，点焊机焊条极易产生黏结，从而导致焊条损失，故在焊盘和电池点焊部位加0.2 mm厚镍，既能满足集流板载流要求，又能得到良好焊接工艺。铜板上端有9毫米安装孔，它与导电杆连接。此外，铜板还设有电压检测点，点焊部位设有工艺槽，可以消除热胀冷缩引起焊接应力。

2.3传感器选择与固定

由于铜热传导性能较好，因此在电池包中部两个单元用铜箔包住，并用螺丝将温度传感器固定在铜箔上，以此避免积聚热量被空气吹走。

2.4电池模块外围单元设计

在安装和设计电池包时，传感器必须具备足够强度和绝缘性能。同时，电池防护装置由上底座、侧面端盖、下部底座等构成。蓄电池上下底座由梯形销钉连接，侧盖一侧形成梯形凹槽，并由梯形销钉与蓄电池侧边连接。为确保电池包防水、防尘及绝缘性，所有组件在组装之前影ABS胶固定。

2.5电池模块比能量计算

比能量是蓄电池主要性能指标，按设计要求比能量必须超过95 Wh/kg，而在设计时，要达到一定强度及比能量。电池模块各部分的质量如表1所示：

表1 电池模块各部分质量

2.6电池模块加工工艺

电芯一致性检验及电芯点焊工艺。当电池单元出现过载时，会导致电池容量下降从而缩短电池使用寿命。在将多个电池单元装配到单元中时，由于单元性能不同会出现过充电和过放电，从而加速单元衰减。同时，单个单元损伤也会使各单元性能下降，从而导致整体单元故障。因此，在进行电焊之前，必须检查电池一致性。电池一致性测试通常包含：电压组合法、容量配组法、电阻组配法和全过程动力学组合法。全过程动态特征组合法可很好地检测出电池相容性，但其操作繁琐，很少用于实际工程中。通过电池内部电阻配组法和电压分配法，可反映电池单体电压和内部电阻，这两个指标都是电池关键参数，在工程上更容易实现，因此，在测试电池单体一致性时，采用无负载电压和电池内部电阻匹配方式。经测试，电池内部电阻在21.4，在22.4 rnO范围内，最大内电阻比4.08%。在3.59-3.60 V之间。在电压、电阻之间差异不超过5%，并且电池一致性很好。

采用点焊方法对集流板与电池进行点焊，通过电流通过焊件时产生热量使焊件熔化。点焊时，要特别注意高温下对电池内部部件和电池单体外壳造成损伤。焊点质量检查是在正式焊接前进行。首先对18650型电池和集流片进行焊接，在焊接后，通过观察有无飞溅、表面烧伤、烧穿、漏焊等情况判定其焊接质量。在焊接过程中，要快速、精确地进行焊接，避免过高温度对电池内部结构造成损伤。

2.7电池模块装配

在组装电池包时，要注意要适度松紧，要有足够强度来抵抗电池内外压力，同时也要避免在震动时电池运动。电池包上部底座，主要是用来固定导电电极柱，设置电压检测点，而侧端罩则是用来保护正、负电极、绝缘，而下部底座则是用来缓冲外部对电池包冲击，而支架则是用来承载整体电池单元，并承担一定压力。电池在点焊之前，要完成电池单体、保持架、温度传感器、上机座和导电铜立柱组装，从而保证在焊接时电池相对定位。焊接完毕后，将两侧端盖及底部底座组装完毕。

3电池包结构设计

3.1电池模块在电池包中布置

动力电池由 Eh* t曼多电池包组成，其合理配置有助于电池包安全。当电池模块排列时，要确保电池包使用情况一致，相邻电池模块之间电压差异要小，电池模块之间安全间距要保持一致。该电池包共有24个单元，为方便固定，将六个单元组合在一起形成电池包。

3.2电池包固定构造设计

电池包固定支架由主支架、横向支架、垂直支架和底部底座等组成。电池架作用是将电池包固定起来。由于车辆工况比较复杂，对固定支架强度和阻尼性能都有很高要求。主托架、下托架与电池盒采用螺栓联接，其强度应该很高，为减轻电池包重量和工艺上方便，选择铝制。立式支撑是将电池包直接固定，必须具备足够强度和一定弹性，并且在连接部位开3 mm凹槽，以放置橡胶。垂直支撑材质选用 POM，其机械强度高，疲劳强度最高，电气性能好，抗多次撞击。垂直支撑由四根螺栓与横向支撑相连，横向支撑与主梁相连。横向支撑是2毫米厚钢板，强度高。为保证良好隔热效果，横向支撑要经过喷涂。整体结构简单，结构稳定，加工方便。

3.3电池包冷却结构设计

要根据实际情况，对电池包进行合理散热和冷却结构设计。常用冷却方法有空气冷却、液冷、相变材料冷却和热管冷却。由于相变材料和热管技术研制费用比较高，而且由于其内部结构比较复杂，而且还需要增设冷却器，因此，如果液液泄漏，会引起泄漏等安全问题。而空气冷却技术由于其结构简单、造价低廉，因此根据该项目具体情况，采用强迫空气冷却方法。

3.4电池包线束及电气接口设计

3.4.1通信接口和外接电源接口

在电池包中探测到信号是由通信接口与主控盒相连，这个接口选择15个芯小孔通讯接口。电池箱内电气设备由散热器和电池检测板组成，要求电压为12 V，在运行时，若以电池箱内电池包为供电，则会降低电池包稳定性，从而缩短电池包使用寿命，因此，以外部电源为辅助电源，外接电源选用2W2焊母头。

3.4.2电池包充放电输出接口

电池充放电界面应防潮、绝缘，选择插头时，应具备防误插功能，充电、放电接口应符合爬电间距。

3.5电池包密封与防水

在座椅下面箱体和箱盖接合部增加防水密封膜，并用螺丝将盒盖和盒体紧密地挤压，以达到IP67防水级别，出口通过防水接头或防水连接器对箱体进行密封。在踏板下面模块被安装在车身底部大凹槽里，然后用上面盖子把它封住，防水效果取决于汽车压盖，这是汽车制造商在整个车身安装过程中进行，防水级别也是IP67级别。将测量管上下连接界面中部与容器液面测量实际对齐，若采用局部计量，测量桶上、下连接端口中心距离比容器实际水位高，则仅需将其上、下连接界面中部覆盖到容器实际水位。根据控制需要，在电站中设置一套和多套导波雷达液面传感器。若采用单根传输机，则可与正、负两根导压管相联接。若要安装多个导波雷达液面传输器，必须将两条母线从储罐中抽出，然后将多个导波雷达液面传输器各个测试仪分别与母管相连。

结 论：

综上所述，文章以照纯电动车机电池包设计原理与要求，完成动力装置设计与制作。首先，进行电池系统总体设计，比较各种串联、并联方法，从电池一致性、可靠性以及 BMS设计费用等方面，选用先并行后串联方法，然后根据电动机特点，选用18-24串基础结构。完成电池组初步设计，并检查电池组和电极柱。同时，在电池组件制造中，检测电池一致性以及焊接时焊点。在电池箱设计中，对电池箱进行绝缘处理，并对电池组安装、固定进行充分考虑，并对安装点进行合理安排。由于电池组容易积聚大量热，所以选择适当散热器，对散热器流路进行简要分析，并在进气口附近做一些防尘措施。根据电气设计基本原理，对电气接口、动力总线、低压线路等进行选择。最终，电池总能量达到102.337瓦小时/千克，达到设计指标。

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