1、動(dòng)力電池包概述

順應(yīng)全球新能源汽車發(fā)展潮流，全球動(dòng)力電池包產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展迅速。動(dòng)力電池包作為新能源汽車的“心臟”是汽車主要的動(dòng)力來源，也是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵總成之一，對(duì)汽車性能起著決定性作用，且電池包性能受電芯數(shù)量、能量密度和箱體等參數(shù)影響。相比傳統(tǒng)燃油車，純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程還有一定差距，而且電池包安全也是用戶比較擔(dān)憂的問題，對(duì)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究具有重要意義。

新能源汽車電池充電

2、動(dòng)力電池包國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

世界各大車企都在大力發(fā)展新能源電動(dòng)汽車，動(dòng)力電池的續(xù)航能力成為影響此類汽車市場競爭力的決定性因素之一。

（1）國際主流車載動(dòng)力電池包

以美、德、日、韓主力車企為代表，采用三元鋰電池電芯為單體的高端純電動(dòng)車型，NEDC續(xù)航里程超過600公里。松下、LG、三星等日、韓電池企業(yè)的產(chǎn)品成為主流車企首選。

特斯拉按照擴(kuò)大單體電芯容量、減少數(shù)量的趨勢升級(jí)電池包，推出了基于46800單體電芯的電池包，單體電芯的個(gè)數(shù)已經(jīng)降至960個(gè)，使電池包整體的能量密度有較大幅度的提高。

（2）國內(nèi)主流車載動(dòng)力電池包

以比亞迪、寧德時(shí)代等為代表的一大批企業(yè)，在動(dòng)力電池方面作出了重要貢獻(xiàn)，使國產(chǎn)動(dòng)力電池的市場占有率全球領(lǐng)先。國內(nèi)主流車企使用的電池單體是趨于高端車型逐步向三元鋰電池轉(zhuǎn)型，中、低端車型以磷酸鐵鋰單體電芯為主，但整體續(xù)航里程低于國際先進(jìn)水平。

比亞迪發(fā)布了基于磷酸鐵鋰的“刀片電池”，通過減薄電芯厚度，增大電芯長度，實(shí)現(xiàn)電芯扁長化并結(jié)合電池包結(jié)構(gòu)和底盤一體化設(shè)計(jì)。

國內(nèi)外車企電芯電池

常用的動(dòng)力電池是由單體鋰離子電池電芯適當(dāng)成組后集成于箱體內(nèi)的車載動(dòng)力電池包，目前，對(duì)電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究大部分集中在電池包結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析、溫度場仿真以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面。這些研究為電池包的批量生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)支撐，并研制出了多款高性能動(dòng)力電池包。

3、電池包機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池包的設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足整車開發(fā)設(shè)定的性能和功能要求，電池包的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程主要包含4部分：參數(shù)確定、結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)、仿真分析優(yōu)化和實(shí)物搭建實(shí)驗(yàn)分析。

電池包機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是模組設(shè)計(jì)，將眾多電池單體電芯用支撐結(jié)構(gòu)固定聯(lián)結(jié)于一體，通過電池單體的串聯(lián)和并聯(lián)來保證電池包的額定工作電壓和系統(tǒng)總能量。模組要求結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，強(qiáng)度和剛度滿足車載環(huán)境激勵(lì)及電池包安全要求，并且模組尺寸要限定在電池箱體尺寸內(nèi)，并能夠安裝相關(guān)電氣元件。電池包機(jī)械結(jié)構(gòu)還有“土”字型、“⊥”型。

電池包結(jié)構(gòu)

電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受安裝位置和整車布局包絡(luò)空間尺寸的約束，其主流設(shè)計(jì)方式是結(jié)合底盤和車身的一體化集成設(shè)計(jì)，依據(jù)車型結(jié)構(gòu)適當(dāng)調(diào)整，可一定程度地減輕電池包本體受擠壓沖擊力而減少發(fā)生碰撞安全事故的概率。

4、電池包的高壓電氣設(shè)計(jì)

電池包的電氣安全設(shè)計(jì)主要包含4部分：過流下的系統(tǒng)保護(hù)、高壓互鎖安全、預(yù)充電路系統(tǒng)及防碰撞設(shè)計(jì)。

電池包電氣設(shè)計(jì)架構(gòu)

電池包的傳感器元件、熔斷器、通信線束及它們的固定方式都將影響電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期要合理規(guī)劃電氣系統(tǒng)架構(gòu)。目前電動(dòng)車電氣系統(tǒng)正在向高壓化發(fā)展，對(duì)電氣系統(tǒng)的器件、裝置和結(jié)構(gòu)以及安裝連接都提出安全性方面的更嚴(yán)酷挑戰(zhàn)。

5、電池包的熱管理設(shè)計(jì)

熱管理設(shè)計(jì)是使電池溫度保持在10℃~40℃的適宜工作范圍，特別是要控制或者反映局部過熱，需要設(shè)計(jì)合理的熱管理系統(tǒng)來及時(shí)調(diào)節(jié)電池包內(nèi)部溫度。

熱管理系統(tǒng)主要有強(qiáng)制風(fēng)冷、相變冷卻和液冷。

風(fēng)冷電池包

液冷電池包

6、電池包的集成設(shè)計(jì)

隨著新能源汽車的快速蓬勃發(fā)展，動(dòng)力電池技術(shù)和相關(guān)集成管理技術(shù)層出不窮、節(jié)節(jié)開花，如新材料技術(shù)（無鈷材料等）、新工藝技術(shù)（刀片電池等）、新集成技術(shù)（CTP等）、新管理技術(shù)（彈匣電池等）匯聚了材料廠、電池廠和整車廠的最新研發(fā)應(yīng)用成果。

電池包集成設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

電池包是電動(dòng)車的動(dòng)力來源，最小的單元是電芯?，F(xiàn)階段市場中存在兩種主要的結(jié)構(gòu)方式MTP（Module to Pack）和CTP（Cell to Pack），而CTC（Cell to Chassis）作為最新一代電池系統(tǒng)技術(shù)，在特斯拉、比亞迪、零跑、寧德時(shí)代等企業(yè)的助力加持下，2022年正在逐漸從開發(fā)設(shè)計(jì)走向量產(chǎn)。

電池包發(fā)展技術(shù)路徑

受電池單體電芯能量密度較低、電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷以及電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)效能不足等因素影響，國內(nèi)車企的動(dòng)力電池包在整車?yán)m(xù)航和安全性仍有提升空間，其影響因素很大程度上在于從單體到系統(tǒng)的電池包集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及動(dòng)力電池包的熱管理設(shè)計(jì)。因此，要真正實(shí)現(xiàn)我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)上的“彎道超車”，可以在選用適當(dāng)?shù)母吣芰勘葐误w電芯基礎(chǔ)上，從電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行研究及優(yōu)化。