摘要：動(dòng)力電池系統(tǒng)是新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力的來源，作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件，其設(shè)計(jì)的合理性和安全性對(duì)電動(dòng)汽車起著至關(guān)重要的作用。文章基于某車企需求研發(fā)設(shè)計(jì)一款28 kWh的動(dòng)力電池系統(tǒng)，主要從電池系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的排布與設(shè)計(jì)、電池電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)等三個(gè)方面對(duì)該動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和分析。該設(shè)計(jì)通過結(jié)構(gòu)上尺寸鏈的分析校核是合理的，以及對(duì)其熱管理系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，從而來驗(yàn)證其性能的可行性。此次設(shè)計(jì)為后續(xù)進(jìn)一步對(duì)該電池系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證提供了一定的理論基礎(chǔ)，也為電池系統(tǒng)開發(fā)工作者提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電氣設(shè)計(jì)；熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

據(jù)新能源汽車電池包線路板小編了解到，近年來，隨著環(huán)境污染、溫室效應(yīng)與能源短缺的加劇，為汽車尋找新型能源已迫在眉睫，于是新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。新能源汽車行業(yè)作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略得到了快速發(fā)展，近年來新能源汽車的需求量越來越大。以鋰離子電池為代表的動(dòng)力電池因能量密度高、充放電倍率大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車動(dòng)力來源的首選[3]。然而動(dòng)力電池在實(shí)際工作過程中經(jīng)常因?yàn)榇箅姳堵食浞烹姡瑢?dǎo)致電池內(nèi)部熱量聚集，甚至?xí)a(chǎn)生熱失控現(xiàn)象，影響整車的安全性和可靠性[4]。在日常使用過程中，動(dòng)力電池工作溫度的高低也會(huì)影響其輸出性能，良好的動(dòng)力電池系統(tǒng)必須具有有效的熱管理系統(tǒng)。所以設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)合理且安全性好、具有良好的工作溫度的動(dòng)力電池系統(tǒng)很有必要。

本文基于某車企需求，設(shè)計(jì)一款排布合理、結(jié)構(gòu)緊湊動(dòng)力電池系統(tǒng)，并對(duì)其尺寸鏈進(jìn)行分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，并對(duì)其熱管理系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真性能分析，來驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

01電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

線路板廠小編提醒大家，動(dòng)力電池包是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵核心零部件，目前大多數(shù)電池包的固定方式采用箱體裝載式并固定于汽車底盤[5-6]。動(dòng)力電池系統(tǒng)主要由電池組件、電池箱體組件、電池管理系統(tǒng)（Battery Manage- ment System, BMS）、高壓電氣系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等組成。動(dòng)力電池系統(tǒng)的整體布局在滿足客戶設(shè)計(jì)需求的前提下，電池內(nèi)部空間需排布合理，并且保障動(dòng)力的穩(wěn)定性以及電池的安全性。各排布之間確保零件之間不會(huì)相互干擾，且保證電池系統(tǒng)在合理的工作范圍內(nèi)工作，且確保電池系統(tǒng)在合理的溫度范圍內(nèi)工作，也就是確保電池的熱管理系統(tǒng)正常工作，均勻散熱，確保電池的一致性，提高電池的利用率，同時(shí)延長(zhǎng)電池的使用壽命[7-8]。

以下對(duì)電池系統(tǒng)整體排布與設(shè)計(jì)進(jìn)行概述。

根據(jù)上述動(dòng)力電池系統(tǒng)的特點(diǎn)和特性，以及主機(jī)廠的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池系統(tǒng)主要由電池箱體、箱蓋、電池模組、高壓銅排、液冷板、高壓插件、電池切斷單元（Battery Disconnect Unit, BDU）、BMS主機(jī)和從機(jī)、煙霧傳感器以及高低壓接插件等組件組成。電池各部件的初步選定為：采用方殼電芯進(jìn)行設(shè)計(jì)，電池模組選用1P34S×3成組方式，系統(tǒng)額定容量為87 Ah，額定電壓為326 V，標(biāo)稱電量為28.39 kWh，電壓范圍為255～372V，可用的電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）范圍為0～100%，電池系統(tǒng)的能量密度為120.8 Wh/kg。電池的防護(hù)等級(jí)根據(jù)國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用IP67的防護(hù)等級(jí)。目前熱管理方式主要有液冷和風(fēng)冷兩種方式，根據(jù)電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和客戶需求，本文采用液冷板液冷散熱和側(cè)面正溫度系數(shù)熱敏電阻（Positive Temperature Coeffic- ient, PTC）加熱的熱管理方式。BMS排布選擇一主兩從的結(jié)構(gòu)形式。整體的PACK尺寸設(shè)計(jì)為 1 230 mm×1 085 mm×130 mm，整體PACK的重量應(yīng)為235 kg。電池包的三維整體布置如圖1所示。

圖1 電池包三維整體布置圖

該電池PACK系統(tǒng)中電池模組通過螺栓固定在電池箱體上，箱體與箱蓋最終通過螺栓進(jìn)行密封。模組與模組之間通過串聯(lián)銅排進(jìn)行連接，電池系統(tǒng)的前端留有一個(gè)矩形空間，專門布置2個(gè)高壓箱BDU、BMS主機(jī)和BMS從機(jī)、煙霧傳感器以及用于引出總正和總負(fù)的高壓銅排。箱體前端外部安裝有高低壓接插件用于充放電以及與整車通訊連接。為了散熱性能好，在電池模組底部設(shè)計(jì)有液冷板用于散熱冷卻，模組側(cè)邊設(shè)計(jì)有PTC加熱，兩者相結(jié)合保證電池系統(tǒng)在合理的溫度范圍內(nèi)工作，提高電池系統(tǒng)的使用壽命。該電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、集成度高，且便于裝配和維修。

1.1 箱蓋設(shè)計(jì)

箱蓋采用預(yù)浸料模壓（Prepreg Compression Molding, PCM）材質(zhì)。防腐等級(jí)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125－2012中對(duì)鹽霧實(shí)驗(yàn)的要求，中性鹽霧≥720 h，阻燃等級(jí)應(yīng)達(dá)到UL94-V0[9]。加工工藝采用PCM，開模周期要求為45天。箱蓋的設(shè)計(jì)尺寸為1 215 mm×1 059 mm×32.65 mm，主體厚1.2 mm，法蘭為3.0 mm，箱蓋整體的質(zhì)量≤4 kg，箱蓋安裝孔需增加C型襯套，襯套可以避免扭矩衰減，有利于保護(hù)PCM材料本體。箱蓋設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 箱蓋設(shè)計(jì)圖

1.2 箱體設(shè)計(jì)

箱體由多個(gè)零部件組成，邊框型材采用Al6061- T6，插件面板采用鑄鋁AlSi10MnMg，底護(hù)采用0.8 mm的B340LA/590DP。防腐等級(jí)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125－2012中對(duì)鹽霧的實(shí)驗(yàn)要求，中性鹽霧≥720 h，阻燃等級(jí)應(yīng)達(dá)到UL94-V0。箱體的加工工藝采用液冷一體化設(shè)計(jì)，框架采用熔焊焊接，液冷板與箱體框架采用流鉆螺釘擰緊（Flow Drill Screw, FDS）工藝，同時(shí)使用密封膠輔助密封，沖壓底護(hù)板與箱體及液冷板用螺栓進(jìn)行連接。箱體的設(shè)計(jì)尺寸為1 355 mm×1 145 mm×135 mm，質(zhì)量大約36 kg。其箱體底護(hù)板噴涂0.8mm聚氯乙烯（Pol- yvinyl Chloride, PVC），箱體設(shè)計(jì)如圖3所示。

02電池電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池的電氣系統(tǒng)可保證整個(gè)電池包能夠安全運(yùn)行，所以電氣設(shè)計(jì)是動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。電動(dòng)汽車電池包的電氣部分主要有電池模組、BMS、電氣部件（繼電器、接觸器、保險(xiǎn)、傳感器、預(yù)充電阻等）、高低壓線束和連接器。電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能為基礎(chǔ)，以安全為第一，可靠性為主，輸出可靠高效的電能。在設(shè)計(jì)過程中，高壓電氣負(fù)載匹配是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)方案，包括接觸器、高壓線纜或銅巴、匯流排、熔斷器、高壓接插件等相互連接，將動(dòng)力電池系統(tǒng)的電能輸送到車輛高壓系統(tǒng)。還需要考慮預(yù)充電阻和預(yù)充時(shí)間的確定，以避免高壓上電時(shí)產(chǎn)生瞬間大電流沖擊高壓電氣部件。

根據(jù)本文整體系統(tǒng)排布和結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行整體布局，其中電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有高低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、各類連接線束設(shè)計(jì)、各類低壓接插件設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池電氣系統(tǒng)的整體布局如圖4所示。

03熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池的性能、壽命、安全和儲(chǔ)能大小的變化等均有影響[10]。要保證動(dòng)力電池系統(tǒng)在合理的溫度范圍內(nèi)工作，防止電池系統(tǒng)出現(xiàn)熱失控，導(dǎo)致電池壽命縮短和損壞，所以為了防止電池過熱，保障電池系統(tǒng)安全運(yùn)行，對(duì)于動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)至關(guān)重要。

熱管理系統(tǒng)主要是對(duì)冷卻系統(tǒng)溫度進(jìn)行檢測(cè)與控制。動(dòng)力電池系統(tǒng)一般分為液冷和風(fēng)冷，風(fēng)冷成本低，能夠散去有害氣體，不存在漏液等復(fù)雜的問題。但是在動(dòng)力電池包這種結(jié)構(gòu)緊湊且需迅速冷卻的設(shè)備上，風(fēng)冷并不適用；相比液冷，與整個(gè)電池包熱交互的速率更快，散熱更可靠的原因，同時(shí)電池模組采用了三塊1P34S的成組方式，所以受熱不均勻也成了電池是否能安全使用的一大重要問題，因此，本文設(shè)計(jì)的電池?zé)峁芾矸绞綖橐豪湟惑w化加側(cè)面PTC加熱的組合方式[11-12]。

具體方案為冷卻方式采用一體化冷板液冷、加熱方式側(cè)面PTC加熱方案、導(dǎo)熱界面模組與冷板之間填充2.5 mm導(dǎo)熱膠（模組帶兜邊）、保溫和支撐設(shè)計(jì)底護(hù)板與一體化冷板間采用條狀硅膠泡棉作支撐（壓縮后2.5 mm）。液冷板布置在電池箱體與電池模組之間，為電池模組底部提供散熱，并在電池模組的側(cè)面布置PTC進(jìn)行加熱。采用該種底部液冷板加側(cè)面PTC加熱的組合方式，可很好地對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行熱管理，其熱管理整體方案圖和熱管理系統(tǒng)圖如圖5和圖6所示。

3.1 液冷板設(shè)計(jì)

針對(duì)冷板進(jìn)行關(guān)鍵尺寸及流道設(shè)計(jì)。冷板的材料選擇：上板選擇鋁錳合金并進(jìn)行鍍膜處理（AL3003Mod），下板選擇鋁錳合金（AL3003）。冷板的板厚設(shè)計(jì)為上板1.2 mm，下板1.0 mm，水嘴內(nèi)徑設(shè)計(jì)為16 mm。冷板的總體尺寸為1 206 mm× 1 050 mm× 6.2 mm。液冷板進(jìn)出水口直接接整車端，取消管路設(shè)計(jì)，在液冷板總進(jìn)總出處安裝固定防護(hù)底座，液冷板四周固定，且與箱體邊框的固定采用FDS流鉆螺釘固定。液冷板的設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 液冷板設(shè)計(jì)方案

3.2 PTC設(shè)計(jì)

在模組的側(cè)面固定Ｌ型的PTC加熱板，其兩頭通過螺栓緊固在模組端板上與模組集成在一起，集成后作為模組側(cè)板，通過加熱板上的支架將模組固定在箱體支撐梁上。該P(yáng)TC設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸為935 mm×97 mm×1.5 mm。

該P(yáng)TC在設(shè)計(jì)時(shí)采用了絕緣設(shè)計(jì)：在PTC加熱板表面貼絕緣膜，防止加熱板鋁外殼與電芯接觸。導(dǎo)熱設(shè)計(jì)采用0.5 mm導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠，導(dǎo)熱系數(shù)1.2 W/m.K，均勻鋪在絕緣膜表面。線路設(shè)計(jì)單獨(dú)采用一根主控線束將6個(gè)PTC加熱板并聯(lián)在一起，加熱板采用快插插件與線束連接，PTC的三維設(shè)計(jì)方案見圖8。

圖8 PTC三維設(shè)計(jì)方案

04
動(dòng)力電池系統(tǒng)尺寸鏈分析

針對(duì)以上電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需通過尺寸鏈分析來判定其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸是否合理，避免出現(xiàn)干涉的現(xiàn)象，特別是Z向（即電池包的厚度方向）。由于Z向空間較小，且布置的零部件較多，要保證設(shè)計(jì)的零部件都能合理地布置，下面將具體對(duì)Z向進(jìn)行尺寸鏈分析。

在Z向尺寸鏈計(jì)算中，通過測(cè)量可得電池包Z向總尺寸為130 mm，具體電池包Z向各尺寸間隙名稱和明細(xì)表如表1和圖9所示。

圖9 電池包Z向尺寸鏈?zhǔn)疽鈭D

表1 電池包Z向尺寸鏈分析結(jié)果

，選取Z方向間隙最小區(qū)域進(jìn)行尺寸鏈校核。

上偏差：Es=Es(A)+Es(B)+Es(C)+Es(D)+ Es(E)+ Es(F)+Es(G)+Es(H)+Es(I)=4.7 mm；

下偏差：EI=EI(A)+EI(B)+EI(C)+EI(D)+ EI(E)+ EI(F)+EI(G)+EI(H)+EI(I)=-4.7 mm。

經(jīng)過上述分析和計(jì)算，可得出該電池系統(tǒng)的上、下偏差分別為4.7 mm和-4.7 mm，滿足電池結(jié)構(gòu)偏差設(shè)計(jì)要求±5 mm的偏差范圍，可驗(yàn)證該計(jì)算方向的設(shè)計(jì)間隙符合要求。

05
動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真分析

動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為動(dòng)力電池的關(guān)鍵零部件，其性能的好壞對(duì)動(dòng)力電池及車輛的使用壽命和安全性等有著重要的影響，特別是針對(duì)極端惡劣天氣，電池系統(tǒng)能否有效實(shí)現(xiàn)低溫加熱，確保汽車安全穩(wěn)定行駛，因此，設(shè)計(jì)一款具有良好熱管理系統(tǒng)的動(dòng)力電池尤為重要。所以通常需要對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行仿真分析，來判斷系統(tǒng)內(nèi)部壓降和低溫加熱性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

5.1 系統(tǒng)壓降仿真分析

為保證該動(dòng)力電池系統(tǒng)在運(yùn)行過程中始終保持在合適的溫度范圍內(nèi)，需對(duì)該電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行仿真分析，以分析該液冷系統(tǒng)內(nèi)部壓降和低溫加熱工況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

本文將液冷板的進(jìn)口端面設(shè)置為液體流量入口，出口端面設(shè)置為壓力出口，大小為0Pa。其工況為以進(jìn)口20 ℃冷卻液，流體介質(zhì)為體積比為50%的水和乙醇的混合液，進(jìn)口流量10 L/min，密度1 040 kg/m3，動(dòng)力粘度1.65 mPa·s來分析液冷板內(nèi)部系統(tǒng)壓降，要求系統(tǒng)壓降≤25 kPa，系統(tǒng)內(nèi)部壓降仿真分析曲線圖如圖10所示，其對(duì)應(yīng)的液體速度云圖如圖11所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，液冷板內(nèi)壁面最大壓應(yīng)力存在部位，即入口部位。液冷板內(nèi)壁面最大壓應(yīng)力為21.413 kPa，小于設(shè)計(jì)要求的判定標(biāo)準(zhǔn)25 kPa，說明系統(tǒng)壓降滿足設(shè)計(jì)要求。從系統(tǒng)內(nèi)部流體速度云圖可以看出，系統(tǒng)內(nèi)部液體流速為0.8m/s，滿足整車廠對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)流速在0.1～1 m/s區(qū)間的設(shè)計(jì)要求，仿真結(jié)果可驗(yàn)證該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 低溫加熱仿真分析

電池系統(tǒng)在低溫環(huán)境下工作性能較差，需要對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的低溫加熱工況進(jìn)行仿真分析。本文采用的是87 Ah的LFP型號(hào)的方殼電芯，其分析工況為假設(shè)周圍環(huán)境及電池系統(tǒng)初始溫度為-20 ℃，開啟PTC加熱，當(dāng)電芯最低溫度Tmin= 0 ℃時(shí)停止，PTC功率為單片550 W。設(shè)計(jì)目標(biāo)為低溫世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)工況，電池最低溫由-20 ℃加熱至0 ℃，時(shí)間≤35 min，溫差≤8 ℃。在每個(gè)大模組上分布3個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn)，3個(gè)模組共分布9個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn)。經(jīng)仿真分析后電池溫度仿真云圖和電池監(jiān)控點(diǎn)溫度曲線分別如圖12和圖13所示。

在此工況下，電池由-20 ℃加熱至0 ℃，低溫加熱工況結(jié)束后，模組的最高溫度為30.3 ℃，小于目標(biāo)值38 ℃。溫差2.7 ℃≤8 ℃，仿真結(jié)果表明，電池系統(tǒng)的低溫加熱性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

06
結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款車用新能源動(dòng)力電池系統(tǒng)，分別從該動(dòng)力電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)（包括系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)、箱體設(shè)計(jì)和箱蓋設(shè)計(jì)），又對(duì)電池的電氣系統(tǒng)以及對(duì)電池的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)該電池在結(jié)構(gòu)上的尺寸鏈進(jìn)行了分析和校核，以及對(duì)該電池系統(tǒng)的熱管理性能進(jìn)行了仿真分析，包括分析其系統(tǒng)壓降以及低溫加熱工況，具體得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）通過對(duì)電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，選取Z向間隙最小區(qū)域進(jìn)行尺寸鏈校核，結(jié)果表明該電池系統(tǒng)的上下偏差分別為4.7 mm和-4.7 mm，滿足電池結(jié)構(gòu)偏差設(shè)計(jì)要求±5 mm的偏差范圍，可驗(yàn)證該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在計(jì)算方向的設(shè)計(jì)間隙符合要求，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

2）通過對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的系統(tǒng)壓降工況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明液冷板內(nèi)壁面最大壓應(yīng)力存在部位，即入口部位。液冷板內(nèi)壁面最大壓應(yīng)力為21.413 kPa，小于設(shè)計(jì)要求的判定標(biāo)準(zhǔn)25 kPa，說明系統(tǒng)壓降滿足設(shè)計(jì)要求；系統(tǒng)內(nèi)部液體流速為0.8 m/s，滿足整車廠對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)流速在0.1～1 m/s區(qū)間的設(shè)計(jì)要求；仿真結(jié)果可驗(yàn)證該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

3）通過對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的低溫加熱工況進(jìn)行仿真分析，電池由-20 ℃加熱至0 ℃，低溫加熱工況結(jié)束后，模組的最高溫度為30.3 ℃小于目標(biāo)值38 ℃。溫差2.7 ℃≤8 ℃，仿真結(jié)果表明電池系統(tǒng)的低溫加熱性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。