新能源车可扩展动力电池包集成设计技术

电池作为新能源汽车的储能设备在电驱动器的设计中起着重要作用，对于制造商而言，车辆的技术性能和经济性主要依赖于电池包的集成。Edag Group与其合作伙伴共同开发了适用于批量化生产的可扩展电池包，并且研究了低成本的解决方案。



以成熟的平台作为起点

该项研究与Baomarc、Cloos和Siemens等合作，选择了Edag开发的通用电动平台Scalebase为基础，与电池包相结合，可根据客户意愿（如电池模块类型、容量、电池管理形式、充电系统、轴距或宽度等）进行个性化调整。

此外，该团队还针对Edag BFFT Electronics电池模块原型，进行了低成本方案设计，将进一步减少开发支出，以及对工具、运行和制造成本的投资。得益于从ScaleBat获得的经验，与完全重新开发电池包相比，时间减少了四到五个月。

当前车辆概念的三种解决方案

扁平托盘电池专为2800至3000mm的轴距而设计，例如，大众汽车Touran或Tesla X车型。如图1所示，具有27个模块的电池包可为中型车提供86.8 kWh的总容量，其一个模块拥有12个电池，电池在3.67V的电压下为73Ah。



低成本的框架结构

为达到每年300,000个单位的目标，Baomarc Automotive Solutions建议其框架结构应采用冷轧钢型材而不是铝型材。框架结构的重量实际上从52.14公斤增加到58.87公斤，但300,000单位的单价却下降了约33%。钢材的喷涂、打蜡和处理费用为每辆车8到11欧元。即使每年小批量生产25,000个，使用这种构造方法也可以降低单位成本。型材的结构设计使它们能够快速、个性化地适应特定的客户要求偏好，例如车辆尺寸或电池模块类型，以及不同的性能水平。

该团队还设计了一种创新的电池冷却系统Edag，该系统由三个铝制深冲组件组成，并集成至底板中。各个冷却回路以逆流形式布置：入口和出口彼此直接相邻。这有助于在整个电池模块中实现均匀的温度分布。其最大的特色是三个冷却回路彼此独立工作，可以根据需要通过主动分配器向冷却回路可选地提供冷却剂。该组件是由Siemens NX开发，并通过Siemens Simcenter Star-CCM +的CFD仿真进行了迭代优化，具体如图2。



冷却液分配器采用3D打印技术

该项目采用3D打印制造冷却剂分配器，并进行了拓扑优化。在批量化生产的成本方面，根据批量大小，在批量生产区域中的价格预测为每年100,000至300,000单位，PA12塑料部件的成本为10至14欧元，包括所有其他费用。经计算，3D打印在大规模生产中不再需要花费大量成本，并且此过程的制造成本首次在汽车制造商可接受的范围内。此外，CFD和热仿真结果也表明，使用配置该冷却液分配器的冷却系统，可以优化温度分布，有效防止时效硬化，且温度相对恒定，波动范围为±1-3K。

框架结构的混合连接

电池包的结构连接和密封技术在电动汽车的开发中也较为重要，该项目主要采用了激光焊接和改良工艺的MAG焊。镀锌的外围组件通过激光焊进行连接；对于电池包的框架结构，采用了Carl Cloos Schweißtechnik公司改良的一种低喷雾、低热量、可光学监控的MAG工艺。该工艺可确保获得较好的气密性，而不会破坏镀锌金属板的腐蚀防护。

碰撞安全性

Edag的工程师及其合作伙伴考虑了中国市场对碰撞保护的要求，对电池包的负载路径进行了优化，尤其是对于侧面碰撞和正面碰撞时的人员保护。他们根据负载水平、极限加速度和变型组合来检查电池壳的结构完整性，对电池模块可能造成的损坏，以及碰撞后乘客的生存空间。在仿真中，该BEV底盘通过了所有测试。测试结果表明，电池模块在发生碰撞后仍保持密封且完好无损，并为乘客提供了较大的生存空间。

同步工程

工程师采用同步工程方法进行开发设计，使得空间需求降低30%-40%。随着产品的开发，西门子软件有限公司提出了一种满足端到端产品生命周期管理系统的工业化概念。目标是每年可扩展产量50,000至300,000单位，其中可以制造从紧凑型到SUV的电动汽车用柔性电池，具体如图3。



项目团队使用西门子程序工厂通过仿真优化了生产流程和能源管理。自动化生产概念意味着工厂具有高度的灵活性。无夹具生产过程将在很大程度上节省固定夹具的成本；人机协作的电缆站、无人驾驶运输系统、无介质抓取技术等等都体现了更高的灵活性。

全球供应网络

为了改善与ScaleBat项目中OEM合作伙伴的协作，Edag建议使用AR/VR-Collaboration产品，具体如图4，它可实现员工在现场用AR眼镜观看虚拟的生产场景。在解决技术生产任务时，分布在全球不同位置的不同专家可以通过VR化身进入现场对员工进行培训。该概念的另一个优点是，通过使用这种数字工具，不仅可以吸引新的年轻员工从事生产工程，而且可以大大降低国际、洲际项目的工程和运行成本。



因此，AR/VR协作是Edag项目的又一构建块，涉及地区供应商，为OEM客户和初创企业准备了功能数据基础设施，而初创企业正在计划建造一个具有安全流程的数字智能工厂，以及具有全球网络工程技术的端到端产品生命周期管理（PLM）流程链。

Edag在IAA 2019上首次展示了硬件演示器，如图5所示。目前，合作伙伴将通过路演、研讨会、可行性研究和车辆工程来解决客户的问题，以适应电池盒的生产过程，并将其随后投入生产。