探析纯电动汽车电池包结构设计及特性

韩南南 王昌权

摘要：当前纯电动汽车一般均采用锂电池作为电池单体，它被设计于动力电池包中，发挥了重要的汽车动力支持作用。实际上，纯电动汽车电池包在结构设计中遵循多层次系统结构设计理念，因此本文中就希望研究电池包的成组结构设计与力学特性。

关键词：电池包;成组结构设计;力学特性;纯电动汽车

电池包属于大容量电池单体，它的工艺相当复杂，所以制造成本高昂且安全性也存在隐患问题。电池包在结构设计方面追求构建独立电源系统，利用小容量电芯串联或并联组合形成完整电池包结构，如此可满足电动汽车的实际运行需求。

1、电池包的基本结构框架设计

电池包的基本结构框架设计包含了电池串并联两种方式，基于电池单体的连接方式会直接影响到电池的一致性、可靠性以及使用寿命。

上述两种电池包的串并联模型在单体故障发生概率方面是相同的，而其中的电池包单体也相互独立。就以串并联数学模型为例，它可考虑建立以下数学模型[1]。在数学模型中，要分析系统可靠度，建立集合，客观表示第i个单元的可靠度，而数学模型中m表示了并联电池数，n表示了串联的电池数。结合上述计算，可分析串并联模块中单个电池的损坏度，避免其影响其它电池单元的工作状态。考虑到电池模块的容量会明显下降，因此需要做到设计合理，保证通过串并联电池模块有效提高电池组运行安全可靠性，同时它对电池电压均衡也具有相当促进作用。

在对比不同串并联方式基础之上，应该考虑先并联后串联的电池组，它的安全可靠性表现更好，且在电池电压一致性表现上，BMS计算成本方面都是具有相当大的优势的。可采用先并联后串联的方式，得出以下电池包基本结构框架。

如上所述，电池包所采用的是分层设计模式，其中每18块电池单体并联形成一套完整的电池模块，结合电池包电压需求进行组合，再串联得出24个电池模块。电池模块的运行稳定性相当之高，但是在设计过程中也要充分考量电池模块的绝缘性与对电池模块的稳定固定。在设计电池包结构框架时，需要合理选择其电池单体布置方式，因为电池模块尺寸与电池单元排布关系相对偏大，所以可采用并行排列与错位排列两种方式。不过，错位排列会导致电池模块温差均匀性表现较差，所以从散热与固定位置两点考虑，还应该选择并行排列方式最为合理[2]。

2、电池包结构的成组设计分析

电池包的结构设计遵循成组设计模式原则，这是因为在纯电动汽车动力电池包中包含了多个电池模块的，电池模块在合理布局后可保证电池包整体运行安全性。在进行电池模块布置过程中，需要保证电池包中所有电池模块的使用状况相互统一一致，并保证电池模块之间安全距离，合理控制电压差。一般来说，纯电动汽车的动力电池包中应该排列了24个电池模块，其中每6个电池模块固定在一起组成一个小电池组，4排电池组并排排列组成一个大电池组。

电池包结构的成组设计中应该包括电池组固定结构设计、冷却结构设计、线束与电气接口设计等等。下文专门介绍了它的冷却结构设计。

电池包冷却结构设计是从选择散热结构展开的，散热结构设计优劣会直接影响到电池性能。因此，在针对纯电动汽车进行电池包选择过程中应该做到因地制宜，合理设计其散热结构与冷却结构。以冷却结构为例，它的冷却设计方式主要包含了液冷、空气冷（风冷）、相变材料冷以及散热管冷等等。相比于多种冷却设计方式，空气冷最为合理，因为它的设计结构简单、成本更低，下文选择为电池包设计强制风冷散热结构。强制风冷设计结构应用范围较广泛，风冷成本偏低，但是在设计过程中也必须慎重考虑其串行风冷不均匀，冷却效果有限等等缺点。这种冷却结构设计虽然成本低廉，但是在高温、高电流环境下容易出现散热时空问题。目前比较常见的风冷通风方式包括了并行风冷与串行风冷，其中并行风冷设计可保证电池单元温差偏小，但在结构设计方面相比于串行风冷更为复杂。考虑到动力电池包在纵向长度方面严重不足，对流强度偏大，所以电池模块在温差表现上并不明显，因此选用串行风冷设计方式更为合理。具体到设计方面，应该在电池包左侧设计进气口，右侧箱壁位置安装一排排风扇，确保气流能够顺利通过进气口，直接流入到电池单体缝隙中，最后经过散热风机排放到电池包以外位置。在排风机设计方面要确保风扇排气均匀，同时计算排风口风速[3]。

3、电池包结构的动力学特性研究

在完成纯电动汽车的电池包结构框架成組设计后，要对电池包结构的动力学特性进行分析，以下简单研究两点。

3.1对极限工况背景下电池包强度的校核

电池包强度属于电池包结构动力学中的重要指标，在纯电动汽车行驶过程中，动力电池箱不会直接承受工作荷载，因为电池箱内部会受到外部汽车颠簸、转弯以及急停过程中外力作用，这就说明了汽车行驶工况是非常复杂的。在这里需要分析的是在极限工况背景下电池包校核是相当重要的。结合国内相关标准，如果汽车在行驶颠簸过程中加速度为2g，纵向加速度为1g，转弯过程中加速度为0.4g，那么就要分析颠簸与紧急刹车工况。在分析过程中会发现，载荷是不会呈现在电池模块之上的，它在模拟电池模块过程中会对电池箱体与电池支架作用力进行分析， 并在电池模块后部向前施加1mg载荷，再向下施加3mg载荷。对电池包最大应力值进行分析。一般来说，应该在左侧电池组安装孔处进行分析，保证其材料许用应力值设置到位。

再分析电动汽车的转弯过程，电池包承受的最大应力值将会上升，再通过极限工况分析电池包应力云图能够发现，电池箱体应该在两种极限工况下呈现两大应力值，但两大应力值应该都小于材料许用应力值。这就说明了电池箱能够承受极限荷载，且也能够承受电池模块对箱体的冲击力[4]。

3.2对动力电池包模态特性的分析

其次要对动力电池包的模态特性的分析，它的主要检验目的主要是检验电池包固有模态，分析错开载荷激励频率，同时实现对第一阶模态频率进行提高。在汽车行驶过程中，要分析动力电池模态特性的激励源，具体如下：

当汽车在行驶过程中，如果车速≤150km/h，车轮会由于不平衡引发剧烈激振频率，其频率会超过20Hz以上，而电池箱体的固有频率也被控制在20Hz左右。另外就是分析电池箱体上盖位置的弯曲振动，如此可有效提高箱盖刚度。在设计中可合理设计分析电池箱体在每阶段的固有频率，保证其固有频率远远大于车轮不平衡激振频率，如此分析动力电池包结构是具有一定科学合理性的[5]。

总结

综上所述，在纯电动汽车中对电池包的设计涉及诸多技术内容，本文中简单对其结构成组设计与动力表现特性进行了简单剖析，了解了电池包的设计要求，证明其设计是具有较高的能量比与较小体积的，它能够满足纯电动汽车的使用要求。而在未来还需进一步优化电池包设计结构，减小电池包体积，降低其整体质量。最后也希望借此机会实现对电池包设计改进，持续提高纯电动汽车整体运行性能，对其内部结构进行全面优化调整。

参考文献：

[1]刘元强.纯电动汽车电池包结构设计及特性研究[D].江苏：东南大学，2016.

[2]琚安建.四轮独立驱动电动车平板式电池包结构设计及分析[D].江苏：东南大学，2017.

[3]张良.纯电动汽车锂离子电池的热分析及散热结构设计[D].江苏：江苏大学，2017.

[4]赵万东.纯电动汽车车身减阻与电池散热耦合优化研究[D].湖南工业大学，2015.

[5]卞烨峰，褚超美.基于OptiStruct的电动汽车电池包结构仿真及验证[J].农业装备与车辆工程，2020，58（5）：131-134.