摘要：動力電池系統(tǒng)是新能源電動汽車動力的來源，作為電動汽車的關(guān)鍵零部件，其設(shè)計的合理性和安全性對電動汽車起著至關(guān)重要的作用。文章基于某車企需求研發(fā)設(shè)計一款28 kWh的動力電池系統(tǒng)，主要從電池系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的排布與設(shè)計、電池電氣系統(tǒng)的設(shè)計、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計等三個方面對該動力電池系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計和分析。該設(shè)計通過結(jié)構(gòu)上尺寸鏈的分析校核是合理的，以及對其熱管理系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，從而來驗證其性能的可行性。此次設(shè)計為后續(xù)進(jìn)一步對該電池系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和試驗驗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值。

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

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)運而生[1-2]。新能源汽車行業(yè)作為國家發(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力電池因能量密度高、充放電倍率大、壽命長等優(yōu)點，成為電動汽車動力來源的首選[3]。然而動力電池在實際工作過程中經(jīng)常因為大電倍率充放電，導(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，動力電池工作溫度的高低也會影響其輸出性能，良好的動力電池系統(tǒng)必須具有有效的熱管理系統(tǒng)。所以設(shè)計一款結(jié)構(gòu)合理且安全性好、具有良好的工作溫度的動力電池系統(tǒng)很有必要。

本文基于某車企需求，設(shè)計一款排布合理、結(jié)構(gòu)緊湊動力電池系統(tǒng)，并對其尺寸鏈進(jìn)行分析，驗證其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性，并對其熱管理系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真性能分析，來驗證該系統(tǒng)設(shè)計的安全性和可靠性。

01電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

線路板廠小編提醒大家，動力電池包是電動汽車的關(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。動力電池系統(tǒng)的整體布局在滿足客戶設(shè)計需求的前提下，電池內(nèi)部空間需排布合理，并且保障動力的穩(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，同時延長電池的使用壽命[7-8]。

以下對電池系統(tǒng)整體排布與設(shè)計進(jìn)行概述。

根據(jù)上述動力電池系統(tǒng)的特點和特性，以及主機(jī)廠的設(shè)計要求，本文設(shè)計的動力電池系統(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，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)等級根據(jù)國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用IP67的防護(hù)等級。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)的前端留有一個矩形空間，專門布置2個高壓箱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)計有液冷板用于散熱冷卻，模組側(cè)邊設(shè)計有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)計緊湊、集成度高，且便于裝配和維修。

1.1 箱蓋設(shè)計

箱蓋采用預(yù)浸料模壓（Prepreg Compression Molding, PCM）材質(zhì)。防腐等級根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125－2012中對鹽霧實驗的要求，中性鹽霧≥720 h，阻燃等級應(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)計圖如圖2所示。

圖2 箱蓋設(shè)計圖

1.2 箱體設(shè)計

箱體由多個零部件組成，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。防腐等級根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125－2012中對鹽霧的實驗要求，中性鹽霧≥720 h，阻燃等級應(yīng)達(dá)到UL94-V0。箱體的加工工藝采用液冷一體化設(shè)計，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)計如圖3所示。

02電池電氣系統(tǒng)設(shè)計

動力電池的電氣系統(tǒng)可保證整個電池包能夠安全運行，所以電氣設(shè)計是動力電池系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部分。電動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、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)計實現(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)計過程中，高壓電氣負(fù)載匹配是一個重要的設(shè)計方案，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)充時間的確定，以避免高壓上電時產(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)計對電氣系統(tǒng)進(jìn)行整體布局，其中電氣系統(tǒng)設(shè)計主要有高低壓系統(tǒng)設(shè)計、各類連接線束設(shè)計、各類低壓接插件設(shè)計。本文設(shè)計的動力電池電氣系統(tǒng)的整體布局如圖4所示。

03熱管理系統(tǒng)設(shè)計

動力電池的熱管理系統(tǒng)對動力電池的性能、壽命、安全和儲能大小的變化等均有影響[10]。要保證動力電池系統(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)安全運行，對于動力電池的熱管理系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)至關(guān)重要。

熱管理系統(tǒng)主要是對冷卻系統(tǒng)溫度進(jìn)行檢測與控制。動力電池系統(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，與整個電池包熱交互的速率更快，散熱更可靠的原因，同時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

針對冷板進(jìn)行關(guān)鍵尺寸及流道設(shè)計。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)計為上板1.2 mm，下板1.0 mm，水嘴內(nèi)徑設(shè)計為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，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)計方案如圖7所示。

圖7 液冷板設(shè)計方案

3.2 PTC設(shè)計

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PTC設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸為935 mm×97 mm×1.5 mm。

該PTC在設(shè)計時采用了絕緣設(shè)計：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)計單獨采用一根主控線束將6個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)計方案見圖8。

圖8 PTC三維設(shè)計方案

04
動力電池系統(tǒng)尺寸鏈分析

針對以上電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需通過尺寸鏈分析來判定其設(shè)計的結(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)計的零部件都能合理地布置，下面將具體對Z向進(jìn)行尺寸鏈分析。

在Z向尺寸鏈計算中，通過測量可得電池包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)計要求±5 mm的偏差范圍，可驗證該計算方向的設(shè)計間隙符合要求。

05
動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真分析

動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為動力電池的關(guān)鍵零部件，其性能的好壞對動力電池及車輛的使用壽命和安全性等有著重要的影響，特別是針對極端惡劣天氣，電池系統(tǒng)能否有效實現(xiàn)低溫加熱，確保汽車安全穩(wěn)定行駛，因此，設(shè)計一款具有良好熱管理系統(tǒng)的動力電池尤為重要。所以通常需要對電池?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)計要求。

5.1 系統(tǒng)壓降仿真分析

為保證該動力電池系統(tǒng)在運行過程中始終保持在合適的溫度范圍內(nèi)，需對該電池?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，驗證設(shè)計的合理性。

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)計要求的判定標(biāo)準(zhǔn)25 kPa，說明系統(tǒng)壓降滿足設(shè)計要求。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，滿足整車廠對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)流速在0.1～1 m/s區(qū)間的設(shè)計要求，仿真結(jié)果可驗證該系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

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 ℃時停止，PTC功率為單片550 W。設(shè)計目標(biāo)為低溫世界輕型汽車測試循環(huán)工況，電池最低溫由-20 ℃加熱至0 ℃，時間≤35 min，溫差≤8 ℃。在每個大模組上分布3個溫度監(jiān)控點，3個模組共分布9個溫度監(jiān)控點。經(jīng)仿真分析后電池溫度仿真云圖和電池監(jiān)控點溫度曲線分別如圖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)計要求。

06
結(jié)論

本文設(shè)計了一款車用新能源動力電池系統(tǒng)，分別從該動力電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計（包括系統(tǒng)整體方案設(shè)計、箱體設(shè)計和箱蓋設(shè)計），又對電池的電氣系統(tǒng)以及對電池的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，并對該電池在結(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，具體得到以下幾點結(jié)論：

1）通過對電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(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)計要求±5 mm的偏差范圍，可驗證該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在計算方向的設(shè)計間隙符合要求，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。

2）通過對電池?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)計要求的判定標(biāo)準(zhǔn)25 kPa，說明系統(tǒng)壓降滿足設(shè)計要求；系統(tǒng)內(nèi)部液體流速為0.8 m/s，滿足整車廠對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)流速在0.1～1 m/s區(qū)間的設(shè)計要求；仿真結(jié)果可驗證該系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

3）通過對電池?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)計要求。